DE10211358A1

DE10211358A1 - Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung

Info

Publication number: DE10211358A1
Application number: DE2002111358
Authority: DE
Inventors: Franz Hofmann; Johannes R Luyken; Wolfgang Roesner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: EP1483573A1; JP2005527799A; DE10211358B4; WO2003078991A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung. Die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung hat ein Substrat, eine erste elektrisch leitfähige Struktur mit einer ersten freiliegenden Oberfläche, welche erste elektrisch leitfähige Struktur in und/oder auf dem Substrat angeordnet ist. Ein Abstandshalter ist über dem Substrat und/oder zumindest teilweise auf der ersten elektrisch leitfähigen Struktur angeordnet. Ferner hat die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung eine auf dem Abstandshalter angeordnete zweite elektrisch leitfähige Struktur mit einer zweiten freiliegenden Oberfläche. Auf dem ersten und dem zweiten freiliegenden Oberflächenbereich sind Fängermoleküle immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass mit diesen zu erfassende Partikel hybridisieren können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vertikal-Impedanz-Sensor- Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung.
Das Detektieren von molekularen Biopolymeren unter Verwendung einer Biochip-Anordnung ist von großem Interesse in vielen Bereichen der chemischen, biologischen und pharmazeutischen Analytik.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zu erfassende Moleküle mit einem Fluoreszenzlabel zu versehen. Nach einem Hybridisieren der zu erfassenden Partikel mit auf einer Sensoroberfläche immobilisierten Fängermolekülen kann elektromagnetische Primärstrahlung auf die hybridisierten Partikel eingestrahlt werden. Mittels Detektierens einer von den Fluoreszenzlabeln nach Absorption der Primärstrahlung reemittierten Fluoreszenzstrahlung kann das Hybridisierungsereignis detektiert werden.
Allerdings sind spektroskopische Verfahren, bei denen die Intensität einer Fluoreszenzstrahlung oder eine aufgrund einer Strahlungs-Absorption geschwächte elektromagnetische Strahlungs-Intensität erfasst wird, aufwändig und häufig präparativ schwierig. Ferner ist das Markieren von Fängermolekülen mit Fluoreszenzlabeln fehleranfällig. Einrichtungen zum Erzeugen bzw. zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung sind teuer und aufwändig.
Bei Verwendung eines elektrischen Detektionsverfahrens zum Nachweis von Hybridisierungsereignissen ist das Versehen von Fängermolekülen bzw. von zu erfassenden Partikeln mit einem Fluoreszenzlabel entbehrlich. Elektrische Verfahren zum Detektieren von Biomolekülen sind beispielsweise in [1] bis [5] beschrieben.
In Fig. 1A, Fig. 1B ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensor gezeigt, bei dem ein Hybridisierungsereignis elektrisch detektiert wird.
Der Sensor 100 weist zwei Elektroden 101, 102 aus Goldmaterial auf, die in eine Isolatorschicht 103 aus elektrisch isolierendem Material eingebettet sind. An die Elektroden 101, 102 sind Elektrodenanschlüsse 104, 105 angeschlossen, mittels derer ein elektrisches Potential an die Elektroden 101, 102 angelegt werden kann. Die Elektroden 101, 102 sind Planarelektroden. Auf jeder Elektrode 101, 102 sind DNA-Sondenmoleküle 106 immobilisiert.
Sind in einem Elektrolyt 107 DNA-Stränge 108 mit einer Basensequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA- Sondenmoleküle 106 komplementär ist, das heißt die zu den Sonden- oder Fängermolekülen 106 gemäß dem Schlüssel-Schloss- Prinzip sterisch passen, so hybridisieren diese DNA-Stränge 108 mit den DNA-Sondenmolekülen 106, wie in Fig. 1B gezeigt.
Eine Hybridisierung eines DNA-Sondenmoleküls 106 und eines DNA-Strangs 108 erfolgt nur dann, wenn die Sequenzen des jeweiligen DNA-Sondenmoleküls 106 und des entsprechenden DNA- Halbstrangs 108 zueinander komplementär sind.
Erfolgt eine Hybridisierung, so verändert sich der Wert der Impedanz zwischen den Elektroden 101, 102. Diese veränderte Impedanz wird mittels Anlegens eines geeigneten elektrischen Signals an die Elektrodenanschlüsse 104, 105 und mittels Erfassens des zugehörigen elektrischen Stroms detektiert.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 2A bis Fig. 2c ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Erfassen makromolekularer Biomoleküle unter Verwendung eines Reduktions-/Oxidations-Recycling-Vorgangs beschrieben, im Weiteren auch als Redox-Recycling-Vorgang bezeichnet.
In Fig. 2A ist ein Biosensor 200 mit einer ersten Elektrode 201 und einer zweiten Elektrode 202 gezeigt, die auf eine Isolatorschicht 203 aufgebracht sind. Auf der ersten Elektrode 201 ist ein Haltebereich 204 aus Goldmaterial aufgebracht. Der Haltebereich 204 dient zum Immobilisieren von DNA-Sondenmolekülen 205 auf der ersten Elektrode 201. Auf der zweiten Elektrode 202 ist ein solcher Haltebereich nicht vorgesehen.
Sollen mittels des Biosensors 200 DNA-Stränge 207 mit einer Sequenz, die komplementär zu der Sequenz der immobilisierten DNA-Sondenmoleküle 205 ist, erfasst werden, so wird der Biosensor 200 mit einer zu untersuchenden Lösung, beispielsweise einem Elektrolyt 206 in Kontakt gebracht, derart dass in der zu untersuchenden Lösung 206 eventuell enthaltende DNA-Stränge 207 mit einer zu der Sequenz der DNA- Sondenmoleküle 405 komplementären Sequenz hybridisieren können.
In Fig. 2B ist ein Szenario gezeigt, gemäß dem in der zu untersuchenden Lösung 206 zu erfassende DNA-Stränge 207enthalten sind, von denen einer mit einem DNA-Sondenmolekül 205 hybridisiert hat. Die DNA-Stränge 207 in der zu untersuchenden Lösung sind mit einem Enzym 208 markiert, mit dem es möglich ist, im Weiteren beschriebene Moleküle in elektrisch geladene Teilmoleküle zu spalten. Üblicherweise ist eine erheblich größere Anzahl von DNA-Sondenmolekülen 205 bereitgestellt als zu ermittelnde DNA-Stränge 207 in der zu untersuchenden Lösung 206 enthalten sind.
Nachdem die in der zu untersuchenden Lösung 206 möglicherweise enthaltene DNA-Stränge 207 samt dem Enzym 208 mit den immobilisierten DNA-Sondenmolekülen 205 hybridisiert sind, erfolgt eine Spülung des Biosensors 200, wodurch solche DNA-Stränge, an denen ein Hybridisierungsereignis nicht stattgefunden hat, entfernt werden und der Biosensor 200 von der zu untersuchenden Lösung 206 gereinigt wird. Einer zum Spülen verwendeten Spüllösung wird eine elektrisch ungeladene Substanz beigegeben, die Moleküle enthält, die mittels des Enzyms 208 gespalten werden können in ein erstes Teilmolekül 210 mit einer negativen elektrischen Ladung und in ein zweites Teilmolekül mit einer positiven elektrischen Ladung.
Die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 210 werden, wie in Fig. 2C gezeigt, zu der positiv geladenen ersten Elektrode 201 gezogen, was mittels eines Pfeils 211 in Fig. 2C angedeutet ist. Die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 210 werden an der ersten Elektrode 201, die ein positives elektrisches Potential aufweist, oxidiert und werden als oxidierte Teilmoleküle 213 an die negativ geladene zweite Elektrode 202 gezogen, wo sie wiederum reduziert werden. Die reduzierten Teilmoleküle 214 wandern wiederum zu der positiv geladenen Elektrode 201. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kreisstrom generiert, der proportional ist zu der Anzahl der jeweils mittels der Enzyme 208 erzeugten Ladungsträger.
Die bekannten Impedanz-Verfahren weisen den Nachteil auf, dass ein jeweils nur sehr kleines elektrisches Signal auswertbar ist. Die Änderung des elektrischen Feldes infolge des Hybridisierens von DNA-Halbsträngen mit auf einer Sensoroberfläche immobilisierten Fängermolekülen ist sehr gering.
Wie aus [6] bekannt, kann die Sensitivität einer Sensor- Anordnung verbessert werden, indem die laterale Dimension einer planaren Anordnung von Sensor-Elektroden verringert wird.
In Fig. 3A ist eine Sensor-Anordnung 300 gezeigt, bei der auf einem Substrat 301 eine erste Elektrode 302 in einem Abstand von 1 µm entfernt von einer zweiten Elektrode 303 angeordnet ist. Auf den Elektroden 302, 303 sind Fängermoleküle 304 immobilisiert und haben gemäß dem in Fig. 3A gezeigten Betriebszustand mit zu erfassenden Partikeln 305 hybridisiert. Ferner sind in Fig. 3A aus Simulationsrechnungen erhaltene erste bis vierte elektrische Feldkurven 306a bis 306d gezeigt, die angeben, wie stark das elektrische Feld zwischen den Elektroden 302, 303 in welchem Abstand von der Oberfläche des Substrats 301 ist. Bei einer lateralen Ausdehnung von 1 µm zwischen den beiden Elektroden 302, 303 liegt nur ein sehr geringer Anteil des elektrischen Feldes in einem oberflächennahen Umgebungsbereich der Elektroden 302, 303, welcher Bereich durch Hybridisierungsereignisse maßgeblich beeinflusst wird. Daher weist die in Fig. 3A gezeigte Sensor-Anordnung 300 eine verbesserungsbedürftige Nachweissensitivität auf.
In Fig. 3B ist eine Sensor-Anordnung 310 gezeigt, die im Wesentlichen dieselben Komponenten aufweist wie in Fig. 3A gezeigte Sensor-Anordnung 300. Allerdings ist der laterale Abstand zwischen benachbarten Elektroden 311 und 312, 312 und 313, 313 und 314 jeweils 0.2 µm. Wiederum sind in Fig. 3B erste bis vierte elektrische Feldkurven 315a bis 315d eingezeichnet. Infolge der verglichen mit der Sensor- Anordnung 300 verringerten Dimension der Elektroden 311 bis 314 liegt daher ein erheblich größerer Anteil des Feldes in einem oberflächennahen Bereich zwischen den Elektroden 311 und 312 als in dem Szenario von Fig. 3A.
Bei einer Impedanzmessung wird anschaulich eine Änderung des elektrischen Feldes detektiert. Eine verringerte Dimension von Elektroden einer Impedanz-Sensor-Anordnung bewirkt eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit.
Die in Fig. 3A, Fig. 3B gezeigten Sensor-Anordnungen 300, 310 werden unter Verwendung eines halbleitertechnologischen Verfahrens herstellt. Insbesondere werden die Elektroden unter Verwendung von Lithographie-Verfahren und Ätz-Verfahren hergestellt. Allerdings ist es technologisch schwierig, Abstände unterhalb 200 nm unter Verwendung eines Lithographie- Verfahrens herzustellen. Dies erfordert eine sehr teure, anspruchsvolle Lithographie. Aufgrund grundsätzlicher physikalischer Beschränkungen wie unerwünschten Beugungserscheinungen bei optischer Lithographie mit einer Maske sehr geringer Dimension bzw. aufgrund der relativ hohen Ungenauigkeit bei einer lithographischen Strukturierung (Fehler von 20 nm und schlechter) ist das Ausbilden einer Sensor-Anordnung mit unter Verwendung eines Strukturierungsverfahrens hergestellten Elektroden ausreichend geringer Dimension äußerst schwierig.
Aus [7], [8] sind Interdigitalanordnungen von vertikal angeordneten Elektroden bekannt, die zum Nachweis von redoxaktiven Partikeln eingerichtet sind. Hierbei wird mittels Anlegens einer elektrischen Spannung an die Elektroden eine redoxaktive Spezies aufgrund einer elektrischen Kraft an die Elektroden gezogen und in Form eines elektrischen Stroms nachgewiesen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Sensor- Anordnung zum Erfassen von Partikeln mittels Hybridisierens der Partikel mit immobilisierten Fängermolekülen bereitzustellen, welche Sensor-Anordnung eine verbesserte Nachweisempfindlichkeit aufweist.
Das Problem wird gelöst durch eine Vertikal-Impedanz-Sensor- Anordnung und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung weist ein Substrat, eine erste elektrisch leitfähige Struktur mit einer ersten freiliegenden Oberfläche, welche erste elektrisch leitfähige Struktur in und/oder auf dem Substrat angeordnet ist, und einen über dem Substrat und/oder zumindest teilweise auf der ersten elektrisch leitfähigen Struktur angeordneten Abstandshalter auf. Auf dem Abstandshalter ist eine zweite elektrisch leitfähige Struktur mit einer zweiten freiliegenden Oberfläche angeordnet. Ferner weist die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung auf der ersten und der zweiten freiliegenden Oberfläche immobilisierte Fängermoleküle auf, die derart eingerichtet sind, dass mit diesen zu erfassende Partikel hybridisieren können.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung wird eine erste elektrisch leitfähige Struktur mit einer ersten freiliegenden Oberfläche in und/oder auf einem Substrat ausgebildet. Ferner wird ein Abstandshalter über dem Substrat und/oder zumindest zum Teil auf der ersten elektrisch leitfähigen Struktur ausgebildet. Darüber hinaus wird auf dem Abstandshalter eine zweite elektrisch leitfähige Struktur mit einer zweiten freiliegenden Oberfläche ausgebildet. Auf der ersten freiliegenden Oberfläche und auf der zweiten freiliegenden Oberfläche werden Fängermoleküle immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass mit diesen zu erfassende Partikel hybridisieren können.
Bei der erfindungsgemäßen Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung wird der Abstand zwischen den Sensor-Elektroden, das heißt den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Strukturen, mittels einer vertikalen Anordnung definiert. Mittels Abscheidens einer Schicht als Abstandhalter kann der Abstand der Elektroden voneinander mit einer sehr hohen Genauigkeit eingestellt werden. Eine Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Dicke des Abstandhalters mittels eines Abscheide-Verfahrens, und nicht wie gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines Strukturierungs-Verfahrens vorgegeben wird. Als Abscheide-Verfahren kommen insbesondere ein Atomic-Layer-Deposition-Verfahren oder ein Chemische- Gasphasenepitaxie-Verfahren in Frage. Insbesondere bei dem Atomic-Layer-Deposition-Verfahren (ALD Verfahren) kann die Genauigkeit einer abgeschiedenen Schicht bis auf eine Genauigkeit von bis zu einer Atomlage, das heißt bis auf wenige Angstrom Genauigkeit, eingestellt werden. Daher ist ein Abstand zwischen den Sensor-Elektroden einer Sensor- Anordnung mit einer sehr hohen Genauigkeit einstellbar. Ein Mindestabstand zwischen den beiden Sensor-Elektroden von unterhalb 100 nm ist daher problemlos erreichbar.
Unter Verwendung des bezugnehmend auf Fig. 3A, Fig. 3B erläuterten Effekts wird bei einem verringerten Abstand der Sensor-Elektroden voneinander die elektrische Feldverteilung zwischen den Sensor-Elektroden durch ein Hybridisierungsereignis besonders stark beeinflusst. Dadurch ist die Nachweissensitivität der erfindungsgemäßen Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung gegenüber dem Stand der Technik signifikant erhöht. Zudem ist die erfindungsgemäße Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung mit einer einfachen Lithographie und einem einfachen Lift-Off-Verfahren herstellbar. Daher ist das Herstellen der Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung mit einem geringen Aufwand realisierbar.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten freiliegenden Oberfläche beträgt vorzugsweise höchstens 200 nm, weiter vorzugsweise höchstens 50 nm.
Die Fängermoleküle können Oligonukleotide, DNA-Halbstränge, Peptide, Proteine oder niedermolekulare Verbindungen sein. Die Fängermoleküle können organische oder anorganische Moleküle sein.
Zwischen mindestens einer der elektrisch leitfähigen Strukturen und den Fängermolekülen kann eine poröse Permeationsschicht angeordnet sein, die Poren einer vorbestimmten Größe aufweist, derart, dass Moleküle, deren Größe kleiner oder gleich der vorbestimmten Porengröße ist, durch das poröse Material hindurchdiffundieren können, wohingegen Moleküle, deren Größe die vorbestimmte Porengröße übersteigt, nicht durch das poröse Material hindurchdiffundieren können.
Viele biologische Moleküle sind sehr empfindlich gegenüber freien elektrischen Ladungen beziehungsweise gegenüber extremen pH-Werten. In einem direkten Umgebungsbereich der elektrisch geladenen Sensor-Elektroden, das heißt der elektrisch leitfähigen Strukturen, können sehr hohe bzw. sehr niedrige pH-Werte sowie freie elektrische Ladungsträger auftreten, die biologisches Material schädigen können. Mittels einer die Sensor-Elektroden zumindest teilweise ummantelnden porösen Permeationsschicht sind makromolekulare Biomoleküle mit Ausdehnungen größer als die Porengröße der Permeationsschicht vor einem direkten Kontakt mit den elektrischen Ladungsträgern bzw. vor einem Milieu mit einem extremen pH-Wert geschützt. Kleine Ionen oder Moleküle (beispielsweise Natriumchlorid, Wasser) können zu der Elektrodenoberfläche dagegen vordringen.
Ferner kann die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung der Erfindung eine Schutzschicht auf mindestens einem Teil des ersten und/oder des zweiten Oberflächenbereichs aufweisen, welche Schutzschicht derart eingereichtet ist, dass mit der Schutzschicht bedeckte Oberflächenabschnitte von einer Bedeckung mit Fängermolekülen frei sind.
Die Fängermoleküle sind häufig sehr teure und schwierig zu gewinnende biologische Moleküle, die oft nur in geringer Menge vorliegend sind. Indem mittels einer Schutzschicht bzw. mittels einer Verkapselung ein Teil der freiliegenden Oberflächenabschnitte der elektrisch leitfähigen Strukturen bedeckt ist, sind gezielt bestimmte Oberflächenbereiche vorgebbar, auf denen Fängermoleküle immobilisiert werden. Dadurch ist die Anzahl der erforderlichen Fängermoleküle reduziert.
Das Substrat ist vorzugsweise ein Silizium-Substrat, eine Schichtenfolge aus Silizium und Siliziumnitrid oder eine Schichtenfolge aus Silizium und Siliziumoxid.
Die erste und/oder die zweite elektrisch leitfähige Struktur kann aus einem oder einer Kombination der Materialien Gold, Platin, Silber, Silizium, Aluminium und Titan hergestellt sein.
Insbesondere Gold ist als Material für die elektrisch leitfähigen Strukturen für viele Anwendungen geeignet, da die Gold-Schwefel-Kopplung chemisch besonders vorteilhaft ist und da viele Fängermoleküle schwefelhaltige Endgruppen (zum Beispiel Thiol-Gruppen, SH) aufweisen.
Der Abstandshalter ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Vorzugsweise ist der Abstandshalter aus Siliziumoxid (z. B. Siliziumdioxid) oder Siliziumnitrid hergestellt. Der Abstandshalter kann aus einer oder aus mehreren Schichten, von denen jede eines oder mehrere Materialien aufweist, hergestellt sein.
Die Schutzschicht kann aus einem oder einer Kombination der Materialien Siliziumoxid und Siliziumnitrid hergestellt sein.
Die erste und/oder die zweite elektrisch leitfähige Struktur kann als Leiterbahn, als Leiterebene, als im Wesentlichen mäanderförmig verlaufend oder als im Wesentlichen spiralförmig verlaufend ausgebildet sein.
Die erste und die zweite elektrisch leitfähige Struktur können zueinander im Wesentlichen parallel oder senkrecht angeordnet sein.
Die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung der Erfindung kann auch eine Mehrzahl von ersten elektrisch leitfähigen Strukturen und/oder eine Mehrzahl von zweiten elektrisch leitfähigen Strukturen aufweisen.
Diese können beispielsweise matrixförmig angeordnet sein, um in jedem Kreuzungsbereich ein Sensor-Element auszubilden. Die Sensor-Elemente sind vorzugsweise mit unterschiedlichen Fängermolekülen, die auf unterschiedliche zu erfassende Partikel sensitiv sind, versehen sein.
Auch kann eine der elektrisch leitfähigen Strukturen als Leiterebene vorgesehen sein und die andere elektrisch leitfähige Struktur als Anordnung von Leiterbahnen vorgesehen sein, welche Anordnung vorzugsweise parallel zu der Leiterebene angeordnet sind.
Vorzugsweise ist die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung der Erfindung als Biosensor zum Erfassen makromolekularer Biomoleküle eingerichtet.
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung beschrieben. Ausgestaltungen der Vertikal-Impedanz-Sensor- Anordnung gelten auch für das Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung.
Die Dicke des Abstandshalters wird vorzugsweise mittels eines Abscheide-Verfahrens vorgegeben. Da mit einem Abscheide- Verfahren eine Dicke des Abstandshalters sehr exakt einstellbar ist und da mit einem Abscheide-Verfahren die Genauigkeit beim Einstellen der Dicke des Abstandshalters besonders hoch ist, sind die erreichbaren Strukturdimensionen erfindungsgemäß verringert.
Der Abstandshalter wird vorzugsweise mittels eines Atomic- Layer-Deposition-Verfahrens (ALD-Verfahren) oder eines Chemischen-Gasphasenepitaxie-Verfahrens (CVD-Verfahren, "chemical vapour deposition") ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1A, 1B Querschnittsansichten einer Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik in unterschiedlichen Betriebszuständen,
Fig. 2A bis 2C Querschnittsansichten einer anderen Sensor- Anordnung gemäß dem Stand der Technik in unterschiedlichen Betriebszuständen,
Fig. 3A, 3B weitere Sensor-Anordnungen gemäß dem Stand der Technik mit unterschiedlichen lateralen Dimensionen von Sensor-Elektroden,
Fig. 4A bis 4C Schichtenfolgen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz- Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5 eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6 eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 8A eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 8B gezeigten Schnittlinie I-I' einer Vertikal-Impedanz- Sensor-Anordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 8B eine perspektivische Ansicht der in Fig. 8A gezeigten Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 9A eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 9B gezeigten Schnittlinie II-II' einer Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 9B eine perspektivische Ansicht der in Fig. 9A gezeigten Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es ist anzumerken, dass bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele diejenigen Komponenten von Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnungen, die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen enthalten sind, mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 4A bis Fig. 4C ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung beschrieben.
Um die in Fig. 4A gezeigte Schichtenfolge 400 zu erhalten, wird auf einem Silizium-Wafer 401 eine Passivierungsschicht 402 aus Siliziumnitrid abgeschieden. Ferner wird unter Verwendung eines Aufdampf-Verfahrens eine Gold-Schicht auf der Passivierungsschicht 402 abgeschieden und unter Verwendung eines Photolithographie-Verfahrens strukturiert (z. B. Lift-Off-Verfahren). Dadurch bleibt eine erste Gold- Leiterbahn 403 und eine zweite Gold-Leiterbahn 404 auf der Passivierungsschicht 402 zurück. Im Weiteren wird auf der Oberfläche der so erhaltenen Schichtenfolge eine Siliziumdioxid-Schicht 405 unter Verwendung eines CVD- Verfahrens ("chemical vapour deposition") abgeschieden. Unter Verwendung eines CMP-Verfahrens ("chemical mechanical polishing") wird die Oberfläche der Siliziumdioxid-Schicht 405 planarisiert.
Um die in Fig. 4B gezeigte Schichtenfolge 410 zu erhalten, wird auf der Schichtenfolge 400 eine weitere Gold-Schicht abgeschieden. Unter Verwendung eines Photolithographie- Verfahrens wird die weitere Gold-Schicht strukturiert (zum Beispiel Lift-Off) und die Siliziumdioxid-Schicht 405 wird mittels eines RIE-Verfahrens ("reactive ion etching") strukturiert, dass der in Fig. 4B gezeigte Abstandshalter 411 zurückbleibt, mittels welchem eine dritte Gold-Leiterbahn 412von den ersten und zweiten Gold-Leiterbahnen 403, 404 räumlich und elektrisch entkoppelt ist.
Die in Fig. 4C gezeigte Schichtenfolge 420 wird erhalten, indem auf freiliegenden Oberflächenbereichen der ersten, zweiten und dritten Gold-Leiterbahnen 403, 404, 412 DNA- Halbstränge 421 als Fängermoleküle immobilisiert werden, die derart eingerichtet sind, dass mit diesen zu erfassende Partikel hybridisieren können.
Ein Mindestabstand d zwischen der ersten Gold-Leiterbahn 403 bzw. der zweiten Gold-Leiterbahn 404 einerseits und der dritten Gold-Leiterbahn 412 andererseits beträgt 50 nm. Aufgrund dieses geringen Abstands, der aufgrund der Verwendung eines CVD-Verfahrens als Abscheide-Verfahren hochgenau eingestellt ist, ist die Vertikal-Impedanz-Sensor- Anordnung 420 aus Fig. 4C ein hochsensitiver Sensor zum Erfassen von Biomolekülen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 5 eine Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung 500 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 500 unterscheidet sich von der Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 420 im Wesentlichen dadurch, dass vor dem Aufbringen von DNA- Halbsträngen 421 auf freiliegende Oberflächenbereiche der Gold-Leiterbahnen 403, 404, 412 unter Verwendung eines geeigneten Ätz-Verfahrens der Abstandshalter 411 sowie die Siliziumdioxid-Bereiche 405 zurückgeätzt werden. Das Ätz- Verfahren wird derart gewählt, dass das verwendete Ätzmittel eine hohe Ätzrate bezüglich Siliziumdioxid-Material aufweist, wohingegen die Ätzrate bezüglich Gold-Material sehr gering ist. Dadurch verbleibt ein zurückgeätzter Abstandshalter 501 sowie zurückgeätze Siliziumdioxid-Bereiche 502, wohingegen die Gold-Bereiche 403, 404, 412 vor einem Ätzen geschützt sind.
Nach Durchführung dieses Ätz-Verfahrens werden freiliegende Oberflächen der Gold-Leiterbahnen 403, 404, 412 mit DNA- Halbsträngen 421 versehen. Infolge des Rückätzens ist der aktive, d. h. mit Fängermolekülen versehene Oberflächenbereich der Leiterbahnen 403, 404, 412 erhöht, wodurch die Nachweissensitivität erhöht ist. Insbesondere ist es mit einem Unterätzen möglich, mit DNA-Halbsträngen 421 versehene einander gegenüberliegende Oberflächenbereiche der Goldleiterbahnen 403, 404 einerseits und der Goldleiterbahn 412 andererseits zu erhalten, welche Oberflächenbereiche zueinander parallel, strukturell nahe, angeordnet sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 6 eine Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung 600 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 600 entscheidet sich von der Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 420 im Wesentlichen dadurch, dass nach dem Abscheiden der ersten Gold-Schicht diese nicht derart strukturiert wird, dass dadurch eine erste und eine zweite Gold-Leiterbahn 403, 404 ausgebildet werden. Statt dessen erfolgt die Strukturierung der ersten Gold-Schicht derart, dass eine einzige erste Gold- Leiterbahn 601 zurückbleibt. Die weiteren Verfahrensschritte zum Ausbilden der Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 600 erfolgen dann im Wesentlichen analog zu der Beschreibung zu Fig. 4A bis Fig. 4C.
Insbesondere ist ein Abstandshalter 602 aus Siliziumdioxid ausgebildet, mittels dem die Gold-Leiterbahn 601 von der Gold-Leiterbahn 412 getrennt ist. Abschließend werden DNA- Halbstränge 421 auf der Oberfläche der erhaltenen Schichtenfolge immobilisiert.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 7 eine Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung 700 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreiben.
Der wesentliche Unterschied zwischen der Vertikal-Impedanz- Sensor-Anordnung 700 und der Vertikal-Impedanz-Sensor- Anordnung 600 besteht darin, dass bei der Vertikal-Impedanz- Sensor-Anordnung 700 die Komponenten aus Siliziumdioxid 405, 602 vor dem Immobilisieren der DNA-Halbstränge 421 auf freiliegenden Oberflächenbereichen der Gold-Leiterbahnen 601, 412 unter Verwendung eines geeigneten Ätz-Verfahrens zurückgeätzt sind. Dadurch ist der mit Fängermolekülen versehene Oberflächenbereich der ersten und dritten Gold- Leiterbahnen 601, 412 gegenüber der in Fig. 6 gezeigten Anordnung erhöht, wodurch eine höhere Flächenbelegung mit DNA-Halbsträngen 421 und folglich eine höhere Nachweissensitivität erreicht ist. Infolge des Unterätzens sind mit DNA-Halbsträngen 421 versehene einander gegenüberliegende, parallele Oberflächenbereiche der Goldleiterbahnen 601 und 412 realisiert.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 8A, Fig. 8B eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 800 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In Fig. 8B ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 800 gezeigt. Die in Fig. 8A gezeigte Querschnittsansicht der Vertikal-Impedanz-Sensor- Anordnung 800 ist entlang der Schnittlinie I-I' aufgenommen.
Auf der Siliziumnitrid-Passivierungsschicht 402, die wiederum auf dem Silizium-Substrat 401 ausgebildet ist, ist eine Gold- Leiterebene 801 ausgebildet. Auf dieser wird zunächst eine Siliziumdioxid-Schicht und darauf eine zweite Gold-Schicht abgeschieden. Die letzteren beiden Schichten werden gemeinsam derart strukturiert, dass dadurch die Siliziumdioxid-Bahnen 802 und die Gold-Leiterbahnen 803 zurückbleiben. Auf den freiliegenden Oberflächen der Gold-Leiterebene 801 sowie der Gold-Leiterbahnen 802 werden DNA-Halbstränge 421 immobilisiert.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 9A, Fig. 9B eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 900 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In Fig. 9B ist eine perspektivische schematische Ansicht eines Teils der Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 900 gezeigt, und in Fig. 9A ist eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 9B gezeigten Schnittlinie II-II' gezeigt.
Um die Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 900 herzustellen, wird eine Passivierungsschicht 402 aus Siliziumnitrid auf dem Silizium-Wafer 401 abgeschieden und wird ein Gold-Leiterebene 801 auf der Passivierungsschicht 402 abgeschieden. Dann wird eine Siliziumdioxid-Schicht auf der Gold-Leiterebene 801 abgeschieden und zu senkrecht zu der Papierebene von Fig. 9A verlaufenden Siliziumdioxid-Bahnen strukturiert, so dass insbesondere in den in Fig. 9A gezeigten Leerräumen 901 zwischenzeitlich Siliziumdioxid-Material enthalten ist. Auf dieser strukturierten Schichtenfolge wird eine Siliziumnitrid-Schicht abgeschieden. Unter Verwendung eines CMP-Verfahrens wird eine ebene Oberfläche der resultierenden Schichtenfolge erzeugt. Auf dieser ebenen Oberfläche wird eine weitere Gold-Schicht abgeschieden und gemeinsam mit der darunterliegenden Schicht aus Siliziumnitrid bzw. aus Siliziumdioxid derart strukturiert, dass die Gold- Leiterbahnen 902 in der in Fig. 9A, Fig. 9B gezeigten Weise zurückbleiben. Anschaulich verlaufen die Gold-Leiterbahnen im Wesentlichen orthogonal zu den zuvor ausgebildeten Siliziumdioxid-Bahnen. Unter Verwendung eines selektiven Unter-Ätz-Verfahrens wird nun das Siliziumdioxid-Material aus den in Fig. 9A gezeigten Leerräumen 901 entfernt. Das Ätzmittel wird derart gewählt, dass die Ätzrate für Siliziumdioxid-Material hoch und für Siliziumnitrid-Material sehr gering ist, so dass Siliziumnitrid-Abstandshalter 903 zwischen der Gold-Leiterebene 801 und den Gold-Leiterbahnen 902 in der in Fig. 9A, Fig. 9B gezeigten Weise verbleiben.
In einem weiteren Verfahrensschritt zum Ausbilden der Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung 900 werden DNA-Halbstränge 421 auf freiliegenden Gold-Oberflächen immobilisiert.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] Hintsche, R, Paeschke, M, Uhlig, A, Seitz, R (1997) "Microbiosensors using Electrodes made in Si- technology", Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, Scheller, FW, Schubert, F, Fedrowitz, J (eds.), Birkhauser Verlag Basel, Schweiz, S. 267-283
[2] von Gerwen, P (1997) "Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors", IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, 16.-19. Juni 1997, Chicago, S. 907-910
[3] Paeschke, M, Dietrich, F, Uhlig, A, Hintsche, R (1996) "Voltammetric Multichannel Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays", Electroanalysis, Vol. 7, No. 1, S. 1-8
[4] WO 97/21094
[5] DE 196 10 115 A1
[6] Van Gerwen, P, Laureyn, W, Laureys, W, Huyberechts, G, De Beeck, MO, Baert, K, Suls, J, Sansen, W, Jacobs, P, Hermans, L, Mertens, R (1998) "Nanoscaled interdigitated electrode arrays for biochemical sensors" Sensors and actuators B 49: 73-80
[7] Niwa, O, Morita, M, Tabei, H (1991) "Highly Sensitive and Selective Voltammetric Detection of Dopamine with Vertically Separated Interdigitated Array Electrodes" Electroanalysis 3: 163-168
[8] Rehacek, V, Novotny, I, Ivanic, R, Breternitz, V, Spiess, L, Knedlik, CH, Tvarocek, V (2000) "Vertically Arranged Microelectrode Array for Electrochemical Sensing" Third International EuroConference on Advanced Semiconductor Device and Microsystems, Smolenice Castle, Slowakia, 16.-18. Oktober 2000 Bezugszeichenliste 100 Sensor
101 Elektrode
102 Elektrode
103 Isolator
104 Elektrodenanschluss
105 Elektrodenanschluss
106 DNA-Sondenmolekül
107 Elektrolyt
108 DNA-Stränge
200 Biosensor
201 erste Elektrode
202 zweite Elektrode
203 Isolatorschicht
204 Haltebereich erste Elektrode
205 DNA-Sondenmolekül
206 Elektrolyt
207 DNA-Strang
208 Enzym
209 spaltbares Molekül
210 negativ geladenes erstes Teilmolekül
211 Pfeil
212 weitere Lösung
213 oxidiertes erstes Teilmolekül
214 reduziertes erstes Teilmolekül
300 Sensor-Anordnung
301 Substrat
302 erste Elektrode
303 zweite Elektrode
304 Fängermoleküle
305 zu erfassende Partikel
306a erste elektrische Feldkurve
306b zweite elektrische Feldkurve
306c dritte elektrische Feldkurve
306d vierte elektrische Feldkurve
310 Sensor-Anordnung
311 erste Elektrode
312 zweite Elektrode
313 dritte Elektrode
314 vierte Elektrode
315a erste elektrische Feldkurve
315b zweite elektrische Feldkurve
315c dritte elektrische Feldkurve
315d vierte elektrische Feldkurve
400 Schichtenfolge
401 Silizium-Wafer
402 Passivierungsschicht
403 erste Gold-Leiterbahn
404 zweite Gold-Leiterbahn
405 Siliziumdioxid-Schicht
410 Schichtenfolge
411 Abstandshalter
412 dritte Gold-Leiterbahn
420 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
421 DNA-Halbstränge
500 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
501 Abstandshalter
502 Siliziumdioxid-Bereiche
600 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
601 erste Gold-Leiterbahn
602 Abstandshalter
700 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
800 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
801 Gold-Leiterebene
802 Siliziumdioxid-Bahnen
803 Gold-Leiterbahnen
900 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
901 Leerräumen
902 Gold-Leiterbahnen
903 Siliziumnitrid-Abstandshalter

Claims

1. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
mit einem Substrat;
mit einer ersten elektrisch leitfähigen Struktur mit einer ersten freiliegenden Oberfläche, welche erste elektrisch leitfähige Struktur in und/oder auf dem Substrat angeordnet ist;
mit einem über dem Substrat und/oder zumindest teilweise auf der ersten elektrisch leitfähigen Struktur angeordneten Abstandshalter;
mit einer auf dem Abstandshalter angeordneten zweiten elektrisch leitfähigen Struktur mit einer zweiten freiliegenden Oberfläche;
mit auf der ersten und auf der zweiten freiliegenden Oberfläche immobilisierten Fängermolekülen, die derart eingerichtet sind, dass mit diesen zu erfassende Partikel hybridisieren können.

2. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten freiliegenden Oberfläche höchstens 200 nm ist.

3. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten freiliegenden Oberfläche höchstens 50 nm ist.

4. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der die Fängermoleküle
Oligonukleotide
DNA-Halbstränge
Peptide
Proteine oder
niedermolekulare Verbindungen
sind.

5. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwischen mindestens einer der elektrisch leitfähigen Strukturen und den Fängermolekülen eine poröse Permeationsschicht angeordnet ist, die Poren einer vorbestimmten Größe aufweist, derart, dass Moleküle, deren Größe kleiner oder gleich der vorbestimmten Porengröße ist, durch das poröse Material hindurchdiffundieren können, wohingegen Moleküle, deren Größe die vorbestimmte Porengröße übersteigt, nicht durch das poröse Material hindurchdiffundieren können.

6. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner mindestens eine Schutzschicht auf mindestens einem Teil des ersten und/oder des zweiten Oberflächenbereichs aufweist, welche Schutzschicht derart eingerichtet ist, dass die mit der Schutzschicht bedeckten Oberflächenabschnitte von einer Bedeckung mit Fängermolekülen frei sind.

7. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Substrat
ein Silizium-Substrat
eine Schichtenfolge aus Silizium und Siliziumnitrid oder
eine Schichtenfolge aus Silizium und Siliziumoxid
ist.

8. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die erste und/oder die zweite elektrisch leitfähige Struktur aus einem oder einer Kombination der Materialien
Gold
Platin
Silber
Silizium
Aluminium und
Titan
hergestellt ist/sind.

9. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der Abstandshalter aus einem oder einer Kombination der Materialien
Siliziumoxid und
Siliziumnitrid
hergestellt ist.

10. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Schutzschicht aus einem oder einer Kombination der Materialien
Siliziumoxid und
Siliziumnitrid
hergestellt ist.

11. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die erste und/oder die zweite elektrisch leitfähige Struktur
als Leiterbahn
als Leiterebene
im Wesentlichen mäanderförmig verlaufend oder
im Wesentlichen spiralförmig verlaufend
ausgebildet ist/sind.

12. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die erste und die zweite elektrisch leitfähige Struktur zueinander im Wesentlichen
parallel oder
senkrecht
angeordnet sind.

13. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer Mehrzahl von ersten elektrisch leitfähigen Strukturen und/oder mit einer Mehrzahl von zweiten elektrisch leitfähigen Strukturen.

14. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, eingerichtet als Biosensor zum Erfassen makromolekularer Biomoleküle.

15. Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor- Anordnung bei dem
eine erste elektrisch leitfähige Struktur mit einer ersten freiliegenden Oberfläche in und/oder auf einem Substrat ausgebildet wird;
ein Abstandshalter über dem Substrat und/oder zumindest teilweise auf der ersten elektrisch leitfähigen Struktur ausgebildet wird;
auf dem Abstandshalter eine zweite elektrisch leitfähige Struktur mit einer zweiten freiliegenden Oberfläche ausgebildet wird;
auf der ersten und der zweiten freiliegenden Oberfläche Fängermoleküle immobilisiert werden, die derart eingerichtet sind, dass mit diesen zu erfassende Partikel hybridisieren können.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Dicke des Abstandshalters mittels eines Abscheide-Verfahren vorgegeben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Abstandshalters mittels eines Atomic-Layer-Deposition-Verfahrens oder eines Chemischen-Gasphasenepitaxie-Verfahrens ausgebildet wird.