DE112018000488T5

DE112018000488T5 - Biosensor-Elektrode mit dreidimensional strukturierten Sensorflächen

Info

Publication number: DE112018000488T5
Application number: DE112018000488.0T
Authority: DE
Inventors: Sufi Zafar; Eugene O'Sullivan; Bruce Doris
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-10-31
Also published as: GB2575748A; CN110430811B; CN110430811A; US11092567B2; JP2020514754A; GB201915102D0; US11293896B2; US11320394B2; WO2018172938A1; US20180275093A1; JP7024158B2; GB2575748B; US20200003727A1; US20180275094A1

Abstract

Ausführungsformen der Erfindung betreffen einen Sensor, der eine Sensorschaltung und eine zum Austauschen von Daten mit der Sensorschaltung verbundene Sonde enthält. Die Sonde enthält eine dreidimensionale (3D) Sensorfläche, die mit einem Nachweiselement beschichtet und so beschaffen ist, dass sie zumindest teilweise auf der Grundlage einer Wechselwirkung der 3D-Sensorfläche mit einem vorgegebenen Stoff einen ersten Messwert erzeugt. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die 3D-Sensorfläche wie eine Pyramide, ein Kegel oder ein Zylinder geformt, um die Sensorfläche gegenüber einer zweidimensionalen (2D) Sensorfläche zu vergrößern. Gemäß einigen Ausführungsformen ist es der 3D-Sensorfläche möglich, die Wand der biologischen Zelle zu durchdringen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Biosensoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Herstellungsverfahren, daraus resultierende Strukturen und Anwendungsverfahren für eine Biosensorsonde/-elektrode mit einer dreidimensional (3D) strukturierten Sensorfläche.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Biosensoren werden zum Messen verschiedenartiger physikalischer und chemischer Parameter verwendet. Bei einer bekannten Biosensor-Konfiguration dient ein Feldeffektransistor (FET) als Signalgeber, der durch eine Isolatorschicht (z.B. SiO₂) von einem biologischen Nachweiselement (auch als Biosensor-Elektrode bekannt) getrennt ist. Bei dem Nachweiselement kann es sich um ein Bio-Dünnschichtmaterial, beispielsweise ein Rezeptor, ein Enzym, ein Antikörper, DNA oder ein anderer Typ von Einfangmolekül, handeln, das für den Zielanalyt biologisch spezifisch ist. Das Nachweiselement kann zum Beispiel zum Detektieren der lonenkonzentration (z.B. pH-Wert) oder der Konzentration von Ziel-Biomolekülen (z.B. DNA, Mikro-RNA, Enzyme, Antikörper und dergleichen) geeignet sein. Der Ausdruck „Zielanalyt“ und dessen Varianten werden hierin zum Bezeichnen eines Ions, eines Zielmoleküls oder einer anderen biologischen Substanz verwendet.
Sobald die Zielionen und/oder -moleküle eine Bindung mit dem Nachweiselement eingehen, ändert sich die Ladungsverteilung an der Oberfläche des Nachweiselements, was wiederum eine entsprechende Änderung des elektrostatischen Oberflächenpotenzials an einer Gate-Elektrode des FET verursacht. Durch diese Änderung des Oberflächenpotenzials wird eine Spannung an die Gate-Elektrode des FET angelegt, was wiederum zu einem Spannungsabfall (Vgs) zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode führt. Wenn die angelegte Gate-Spannung bewirkt, dass Vgs die Schwellenspannung (Vth) erreicht, beginnt ein Strom von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode zu fließen. Die Vth ist als der Wert von Vgs definiert, bei dem sich eine ausreichende Dichte an beweglichen Elektronen oder Löchern aufbaut und der Kanal leitend wird. Der Wert von Vgs und der resultierende Strom zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode sind der Anzahl von Zielionen und/oder -molekülen proportional, die eine Bindung mit dem Nachweiselement eingehen.
Die Änderung des Stroms (oder der Leitfähigkeit) durch den FET kann gemessen und analysiert werden, um den Analyt zu detektieren, der eine Bindung mit dem biologischen Nachweiselement eingeht. Eine auf Prozessoren beruhende Biosensor-Leseeinheit empfängt den Drain-Strom des FET, sorgt bei Bedarf für weitere Verarbeitung und zeigt die Ergebnisse in benutzerfreundlichen Formen an, die einfacher messbar und quantifizierbar sind. Zum Umwandeln der Detektion des Analyts in andere Arten messbarer Ergebnisse wie optische Signale, physiochemische Signale, piezoelektrische Signale, elektrochemische Signale und dergleichen können andere Arten von Signalgebern verwendet werden.
Leistungsfähigkeit von Biosensoren kann anhand verschiedener Faktoren bewertet werden. Zum Beispiel kann Leistungsfähigkeit von Biosensoren auf der Grundlage der niedrigsten Konzentration des Zielanalyts bewertet werden, die erforderlich ist, damit der Biosensor ein Ergebnis liefern kann, das sich deutlich vom Rauschen während der Messung abhebt. Leistungsfähigkeit von Biosensoren kann auch auf der Grundlage des Empfindlichkeitsbereichs des Nachweiselements bewertet werden, der als unterste und oberste Empfindlichkeitsgrenze ausgedrückt werden kann. Am Beispiel von Wasserstoffionenkonzentration wird deutlich, dass ein bestimmter Biosensor eine unterste und eine oberste Empfindlichkeitsgrenze von pH 2 beziehungsweise pH 12 haben kann. Die unterste Empfindlichkeitsgrenze kommt der oben beschriebenen Konzentration des Zielanalyts gleich, die erforderlich ist, damit der Biosensor ein Ergebnis liefern kann, das sich deutlich vom Rauschen während der Messung abhebt. Die oberste Empfindlichkeitsgrenze ist erreicht, wenn das Nachweiselement so gesättigt ist, dass zum Absorbieren des Analyts keine Bindungsplätze mehr zur Verfügung stehen. Somit kann ein Biosensor keine echten Werte detektieren, die kleiner als die untere oder größer als die obere Empfindlichkeitsgrenze des Biosensors sind. Leistungsfähigkeit von Biosensoren kann auch anhand der erforderlichen Probengröße bewertet werden. Kleine Sensoren wie beispielsweise Biosensoren auf der Grundlage von FET benötigen im Allgemeinen eine geringere Probengröße und werden oft bei medizinischen Anwendungen bevorzugt, wo es sich bei der Probe üblicherweise um ein Volumen der Körperflüssigkeit eines Patienten wie beispielsweise Blut handelt.
Die oben beschriebenen Faktoren der Leistungsfähigkeit von Biosensoren können verbessert werden, indem Analyte vollständiger eine Bindung mit dem Nachweis eingehen, was zumindest teilweise durch die Eigenschaften der Sensorfläche des Nachweiselements beeinflusst wird. Bei FET-Biosensoren kann das Nachweiselement auch als FET-Gate-Elektrode fungieren. Die kombinierte Struktur aus FET-Gate-Elektrode und Nachweiselement hat eine ebene, zweidimensionale (2D) und im Wesentlichen planare Sensorfläche.
Deshalb besteht in der Technik ein Bedarf, das oben erwähnte Problem zu lösen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Sensor bereit, der aufweist: einen Sensorschaltkreis; und eine zum Austauschen von Daten mit dem Sensorschaltkreis verbundene Sonde; wobei die Sonde eine dreidimensionale (3D) Sensorfläche aufweist, die eine leitfähige Beschichtung eines Nachweiselements aufweist und so beschaffen ist, dass sie zumindest teilweise auf der Grundlage von Wechselwirkung der 3D-Sensorfläche mit einem vorgegebenen Stoff eine erste Messung durchführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Sensors bereit, wobei das Verfahren aufweist: Bilden eines Sensorschaltkreises; Bilden einer Sondenstruktur, die eine dreidimensionale (3D) Sensorflächenstruktur aufweist; Verbinden der Sondenstruktur mit dem Sensorschaltkreis zum Austauschen von Daten; Konfigurieren der 3D-Sensorflächenstruktur derart, dass sie eine Beschichtung enthält, die ein Nachweiselement aufweist; weiterhin Konfigurieren der 3D-Sensorflächenstruktur derart, dass sie zumindest teilweise auf der Grundlage von Wechselwirkung der 3D-Sensorflächenstruktur mit einem vorgegebenen Stoff eine erste Messung durchführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren unter Verwendung eines Sensors bereit, wobei das Verfahren aufweist: Zugreifen auf eine Probe; und Inkontaktbringen der Probe mit einem Sensor; wobei der Sensor einen Sensorschaltkreis aufweist, der zum Austauschen von Daten mit einer Sondenstruktur verbunden ist, die eine dreidimensionale (3D) Sensorflächenstruktur mit einer Beschichtung aufweist, die ein Nachweiselement aufweist; Durchführen einer ersten Messung unter Verwendung der 3D-Sensorflächenstruktur zumindest teilweise auf der Grundlage von Inkontaktbringen mit einem vorgegebenen Stoff in der Probe; Verwenden des Sensorschaltkreises zum Erzeugen eines Ergebnisses des Sensorschaltkreises, das einer vorgegebenen Eigenschaft des vorgegebenen Stoffs proportional ist, zumindest teilweise auf der Grundlage der ersten Messung.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Verwenden eines Sensors bereit, wobei das Computerprogrammprodukt ein durch einen Computer lesbares Speichermedium aufweist, das durch eine Verarbeitungsschaltung lesbar ist und in dem Anwendungen zum Durchführen eines Verfahrens zum Ausführen der Schritte der Erfindung durch die Verarbeitungsschaltung gespeichert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm bereit, das auf einem durch einen Computer lesbaren Medium gespeichert und in den Arbeitsspeicher eines digitalen Computers ladbar ist und Abschnitte von Softwarecode zum Ausführen der Schritte der Erfindung aufweist, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen einen Sensor, der einen Sensorschaltkreis und eine mit dem Sensorschaltkreis verbundene Sonde zum Austauschen von Daten enthält. Die Sonde enthält eine dreidimensionale (3D) Sensorfläche, die mit einem Nachweiselement beschichtet und so konfiguriert ist, dass sie zumindest teilweise auf der Grundlage von Wechselwirken der 3D-Sensorfläche mit einem vorgegebenen Stoff eine erste Messung durchführt. Die oben beschriebenen Ausführungsformen stellen mehr Sensorfläche zur Verfügung, wodurch das Ausmaß der Bindung von betreffenden Analyten mit der Sensorfläche, die Signalstärke und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Bilden eines Sensors. Das Verfahren beinhaltet Bilden eines Sensorschaltkreises und einer Sondenstruktur, die eine mit einem Nachweiselement beschichtete 3D-Sensorflächenstruktur enthält. Die Sonde ist zum Austauschen von Daten mit dem Sensorschaltkreis verbunden, und die 3D-Sensorflächenstruktur ist so beschaffen, dass sie zumindest teilweise auf der Grundlage von Wechselwirkung mit einem vorgegebenen Stoff eine erste Messung durchführt. Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung stellen mehr Sensorfläche zur Verfügung, wodurch das Ausmaß der Bindung von betreffenden Analyten mit der Sensorfläche, die Signalstärke und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Verwenden eines Sensors. Das Verfahren beinhaltet Zugreifen auf eine Probe und Inkontaktbringen der Probe mit einem Sensor, wobei der Sensor einen zum Austauschen von Daten mit einer Sondenstruktur verbundenen Sensorschaltkreis enthält, wobei die Sondenstruktur eine mit einem Nachweiselement beschichtete 3D-Sensorflächenstruktur hat. Die 3D-Sensorflächenstruktur führt zumindest teilweise auf der Grundlage von Inkontaktbringen eines vorgegebenen Stoffes in der Probe mit der 3D-Sensorflächenstruktur eine erste Messung durch. Der Sensorschaltkreis erzeugt zumindest teilweise auf der Grundlage der ersten Messung ein Ergebnis, das einer vorgegebenen Eigenschaft des vorgegebenen Stoffs proportional ist. Die oben beschriebenen Ausführungsformen stellen mehr Sensorfläche zur Verfügung, wodurch das Ausmaß der Bindung von Analyten mit der Sensorfläche, die Signalstärke und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile werden mittels der hierin beschriebenen Techniken realisiert. Hierin werden auch andere Ausführungsformen und Aspekte ausführlich beschrieben. Zum besseren Verständnis wird auf die Beschreibung und die Zeichnungen verwiesen.
Figurenliste
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung ausführlich dargelegt und ausdrücklich beansprucht. Die obigen sowie andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar, wobei:

1A ein schematisches Schaubild eines Biosensorsystems mit 3D-Nanosonden-Elektroden gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
1B ein Blockschaubild ist, das beispielhafte Elektrodenformen des 3D-Nanosonden-Biosensors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
1C ein Blockschaubild einer bekannten, und im Wesentlichen planaren 2D-Biosensor-Elektrode und einer Anordnung von 3D-Nanosonden-Biosensor-Elektroden gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
2 einen Ablaufplan zeigt, der ein Verfahren zum Verwenden eines Biosensors mit einer 3D-Nanosonden-Biosensor-Elektrode gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
3 ein Blockschaubild ist, das weitere Einzelheiten des in 1A gezeigten Prozessors zeigt;
4 eine Querschnittsansicht eines 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem ersten Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
5 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem ersten Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
6 eine Querschnittsansicht eines 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
7 eine Querschnittsansicht eines 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
8 eine Querschnittsansicht eines 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
9 eine Draufsicht auf den in 8 gezeigten 3D-Nanosonden-Biosensor entlang der Schnittlinie A-A' zeigt;
10 eine Draufsicht auf den in 8 gezeigten 3D-Nanosonden-Biosensor entlang der Schnittlinie A-A' nach einem Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
11 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
12 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
13 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
14 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem alternativen Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
15 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem alternativen Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
16 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem alternativen Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
17 eine Querschnittsansicht des 3D-Nanosonden-Biosensors nach einem alternativen Fertigungsschritt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
18 eine Draufsicht auf den in 17 gezeigten 3D-Nanosonden-Biosensor zeigt;
19 ein schematisches Schaubild zeigt, das ein Verfahren zum Verwenden eines Biosensorsystems mit einer 3D-Nanosonde gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht; und
20 ein schematisches Schaubild zeigt, das ein Verfahren zum Verwenden eines Biosensorsystems mit einer 3D-Nanosonde gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.

In den beiliegenden Figuren und der folgenden detaillierten Beschreibung der offenbarten Ausführungsformen sind die verschiedenen in den Figuren veranschaulichten Elemente mit drei- oder vierstelligen Bezugsnummern bezeichnet. Die äußerste(n) linke(n) Stelle(n) jeder Bezugsnummer entspricht(entsprechen) der Figur, in der dieses Element erstmalig veranschaulicht wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Es können alternative Ausführungsformen entwickelt werden, ohne vom Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Verbindungen und Lagebeziehungen (z.B. über, unter, benachbart usw.) zwischen Elementen in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen dargelegt werden. Diese Verbindungen und/oder Lagebeziehungen können, sofern nicht anders angegeben, direkt oder indirekt sein, und die vorliegende Erfindung soll in dieser Beziehung keine Einschränkung darstellen. Demgemäß kann ein Verbinden von Einheiten entweder ein direktes oder ein indirektes Verbinden betreffen, und eine Lagebeziehung zwischen Einheiten kann eine direkte oder eine indirekte Lagebeziehung sein. Als ein Beispiel für eine indirekte Lagebeziehung bezeichnen Angaben in der vorliegenden Erfindung zum Bilden von Schicht „A“ oberhalb von Schicht „B“ Situationen, in denen sich zwischen Schicht „A“ und Schicht „B“ eine oder mehrere Zwischenschichten (z.B. Schicht „C“) befinden, solange die betreffenden Eigenschaften und Funktionalitäten von Schicht „A“ und Schicht „B“ durch die Zwischenschicht(en) nicht wesentlich verändert werden.
Die folgenden Definitionen und Abkürzungen werden zum Verständnis der Ansprüche und der Beschreibung verwendet. Die hierin verwendeten Begriffe „weist auf“, „aufweisend“, „enthält“, „enthaltend“, „hat“, „habend“, „enthält“ oder „enthaltend“ oder beliebige anderen Varianten davon sollen eine nichtexklusive Einbeziehung ausdrücken. Zum Beispiel ist eine Zusammensetzung, eine Mischung, ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen aufweist, nicht unbedingt allein auf diese Elemente beschränkt, sondern kann auch andere nicht ausdrücklich aufgeführte oder für eine solche Zusammensetzung, Mischung, einen Prozess, ein Verfahren, einen Artikel oder eine Vorrichtung typische Elemente enthalten.
Außerdem wird hierin der Begriff „beispielhaft“ verwendet, der „als Beispiel, Einzelfall oder Veranschaulichung dienend“ bedeutet. Jede hierin als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Gestaltung ist nicht unbedingt als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Gestaltungen bevorzugt oder vorteilhaft zu verstehen. Die Begriffe „mindestens ein“ oder „ein oder mehr“ sind so zu verstehen, dass sie eine beliebige Anzahl größer als oder gleich eins beinhaltet, d.h. eins, zwei, drei, vier usw. Der Begriff „eine Vielzahl“ ist so zu verstehen, dass er eine beliebige ganze Anzahl größer als oder gleich zwei beinhaltet, d.h. zwei, drei, vier, fünf usw. Der Begriff „Verbindung“ kann eine indirekte „Verbindung“ und eine direkte „Verbindung“ beinhalten.
Bezugnahmen in der Beschreibung auf „eine einzelne Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, „eine beispielhafte Ausführungsform“ usw. zeigt an, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft enthalten kann, jedoch braucht nicht jede Ausführungsform das bestimmte Merkmal, die bestimmte Struktur oder die betreffende Eigenschaft zu enthalten. Außerdem betreffen solche Ausdrücke nicht unbedingt ein und dieselbe Ausführungsform. Wenn ferner ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine betreffende Eigenschaft in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, wird davon ausgegangen, dass ein Fachmann aufgrund seines Wissens ein solches Merkmal, eine solche Struktur oder eine betreffende Eigenschaft in Verbindung mit anderen Ausführungsformen umsetzen kann, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben wurde.
Im Rahmen der folgenden Beschreibung sollen sich die Begriffe „obere“, „untere“, „rechts“, „links“, „senkrecht“, „waagerecht“, „oben“, „unten“ und deren Ableitungen auf die beschriebenen Strukturen und Verfahren beziehen, die in den Figuren dargestellt sind. Die Begriffe „überdeckend“, „oberhalb“, „oben“, „angeordnet auf“ oder „angeordnet oberhalb“ bedeuten, dass ein erstes Element wie beispielsweise eine erste Struktur sich auf einem zweiten Element wie beispielsweise einer zweiten Struktur befindet, wobei sich zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element dazwischen liegende Elemente wie beispielsweise eine Grenzflächenstruktur befinden können. Der Begriff „direkter Kontakt“ bedeutet, dass ein erstes Element wie beispielsweise eine erste Struktur ohne dazwischen liegende leitende, isolierende oder Halbleiterschichten an der Grenzfläche der beiden Elemente und ein erstes Element wie beispielsweise eine zweite Struktur miteinander verbunden sind. Der Begriff „selektiv gegenüber“ wie beispielsweise „ein erstes gegenüber einem zweiten Element selektives Element“ bedeutet, dass ein erstes Element geätzt wird und das zweite Element als Ätzstopp dienen kann. Die Begriffe „ungefähr“, „im Wesentlichen“, „annähernd“ und deren Varianten sollen den Messfehler einer Messung der betreffenden Größe auf der Grundlage der zum Zeitpunkt des Einreichens der Anmeldung verfügbaren technischen Ausrüstung beinhalten. Zum Beispiel kann der Begriff „ungefähr“ einen Bereich von ±8 % oder 5 % oder 2 % eines bestimmten Wertes umfassen.
Der Einfachheit halber werden herkömmliche Techniken in Bezug auf die Herstellung von Halbleitereinheiten und integrierten Schaltkreisen (IC) hierin nicht immer ausführlich beschrieben. Außerdem können die verschiedenen hierin beschriebenen Aufgaben und Verfahrensschritte in eine umfangreichere Prozedur oder einen Prozess mit weiteren Schritten oder Funktionalitäten einbezogen werden, die hierin nicht ausführlich beschrieben werden. Insbesondere sind verschiedene Schritte zum Herstellen von Halbleitereinheiten und ICs auf der Grundlage von Halbleitern gut bekannt, sodass der Einfachheit halber viele herkömmliche Schritte hierin nur kurz erwähnt oder ganz weggelassen werden, ohne gut bekannte Einzelheiten des Verfahrens anzugeben.
Als Grundlage wird nunmehr jedoch eine allgemeinere Beschreibung der Prozesse zum Herstellen von Halbleitereinheiten gegeben, die beim Umsetzen einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Spezielle beim Umsetzen einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Fertigungsschritte sind im Einzelnen möglicherweise bekannt, jedoch sind die beschriebene Kombination von Fertigungsschritten und/oder die daraus resultierende Struktur einzigartig.
Somit werden bei den beschriebenen einzigartigen Kombinationen von Fertigungsschritten gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielfalt im Einzelnen bekannter physikalischer und chemischer Arbeitsschritte verwendet, die an einem Haltleitersubstrat (z.B. Silicium) vorgenommen werden, von denen einige in den unmittelbar folgenden Absätzen beschrieben werden.
Im Allgemeinen werden die verschiedenen zum Bilden eines Mikro-Chips verwendeten Prozesse, der als IC konfektioniert wird, in vier allgemeine Kategorien eingeteilt, das heißt in Schichtabscheiden (oder Schichtbildung), Entfernen/Ätzen, Halbleiterdotieren und Strukturieren/Lithografie. Als Abscheiden gilt jeder Prozess, bei dem ein Stoff auf einen Wafer aufgewachsen, auf diesem abgeschieden oder anderweitig auf ihn übertragen wird. Als verfügbare Technologien kommen unter anderem physikalische Dampfabscheidung (PVP), chemische Dampfabscheidung (CVD), plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PECVD), elektrochemische Abscheidung (ECD), Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) und neuerdings Atomschichtabscheidung (ALD) und plasmagestützte Atomschichtabscheidung (PEALD) infrage.
Als Entfernen/Ätzen gilt jeder Prozess, mittels dessen Material von dem Wafer entfernt wird. Hierzu gehören beispielsweise Ätzprozesse (entweder Trocken- oder Nassätzen), chemischmechanisches Planarisieren (CMP) und dergleichen. Bei einem Nassätzprozess, beispielsweise beim Ätzen mit gepufferter Flusssäure (BHF) handelt es sich um einen Abtragungsprozess, bei dem flüssige Chemikalien oder Ätzmittel zum Entfernen von Stoffen von einer Oberfläche verwendet werden. Bei einem Trockenätzprozess, beispielsweise beim reaktiven lonenätzen (RIE), wird chemisch reaktives Plasma zum Entfernen eines Stoffes, beispielsweise eines maskierten Musters aus Halbleitermaterial, verwendet, indem das Material einem Beschuss mit Ionen ausgesetzt wird, durch die Teile des Materials von der freiliegenden Oberfläche entfernt werden. Das Plasma wird bei niedrigem Druck (unter Vakuum) durch ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
Beim Halbleiterdotieren werden elektrische Eigenschaften durch Dotieren beispielsweise von Source- und Drainelektroden von Transistoren im Allgemeinen durch Diffusion und/oder Ionenimplantation verändert. An diese Dotierungsprozesse schließt sich Ofentempern oder Schnelltempern (RTA) an. Tempern dient zum Aktivieren der implantierten Dotanden. Zum Verbinden und Isolieren von Transistoren und deren Komponenten werden sowohl Leiter (z.B. Polysilicium, Aluminium, Kupfer usw.) als auch Isolatoren (z.B. verschiedene Formen von Siliciumdioxid, Siliciumnitrid usw.) verwendet. Selektives Dotieren verschiedener Bereiche des Halbleitersubstrats ermöglicht Ändern der Leitfähigkeit des Substrats durch Anlegen von Spannung. Durch Erzeugen von Strukturen dieser verschiedenen Komponenten können Millionen von Transistoren geschaffen und miteinander elektrisch verbunden werden, um die komplizierte Schaltlogik einer modernen Mikroelektronikeinheit zu bilden.
Mittels Halbleiterlithografie werden dreidimensionale Bilder oder Muster auf dem Halbleitersubstrat gebildet, die anschließend auf das Substrat übertragen werden. Bei der Halbleiterlithografie werden die Muster mittels eines lichtempfindlichen Polymers mit der Bezeichnung Fotolack gebildet. Zum Erzeugen der komplexen Strukturen, aus denen ein Transistor besteht, und der vielen Leiterbahnen zum Verbinden der Millionen Transistoren eines Schaltkreises werden die Schritte zum Übertragen der durch Lithografie und Ätzen erzeugten Muster mehrere Male wiederholt. Jedes auf den Wafer aufgedruckte Muster wird auf die vorher gebildeten Muster ausgerichtet, und nach und nach werden die Leiter, Isolatoren und selektiv dotierten Bereiche zu der fertigen Einheit zusammengesetzt.
Im Folgenden werden Technologien beschrieben, die für die vorliegende Erfindung von besonderer Bedeutung sind, denn Transistoren sind Halbleitereinheiten, die in einer breiten Vielfalt von ICs vorkommen. Bei einem Transistor handelt es sich im Wesentlichen um einen Schalter. Wenn an eine Gate-Elektrode des Transistors eine Spannung angelegt wird, die eine Schwellenspannung überschreitet, wird der Schalter geschlossen, sodass Strom durch den Transistor fließt. Wenn die Spannung an der Gate-Elektrode die Schwellenspannung unterschreitet, ist der Schalter geöffnet, sodass kein Strom durch den Transistor fließt.
Haltleitereinheiten werden unter Verwendung aktiver Bereiche eines Wafers gebildet. Die aktiven Bereiche sind durch Isolationsbereiche definiert, die zum Abtrennen und elektrischen Isolieren benachbarter Halbleitereinheiten verwendet werden. Zum Beispiel kann ein IC eine Mehrzahl Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) enthalten, wobei jeder MOSFET eine Source- und eine Drain-Elektrode hat, die in einem aktiven Bereich einer Halbleiterschicht durch Implantieren von Verunreinigungen vom n-Typ oder p-Typ in der Schicht aus Halbleitermaterial gebildet sind. Zwischen der Source- und der Drain-Elektrode ist ein Kanal- (oder Rumpf-) Bereich angeordnet. Oberhalb des Rumpfbereichs ist eine Gate-Elektrode angeordnet. Die Gate-Elektrode und der Rumpf sind durch eine dielektrische Gate-Schicht voneinander beabstandet. Beim komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS) handelt es sich um eine Technologie, bei der komplementäre und symmetrische Paare von p-Typ- und n-Typ-MOSFETs zum Realisieren von Logikfunktionen verwendet werden.
Biosensoren nutzen elektrochemische Prozesse zum Detektieren eines chemischen Zustands (z.B. eines pH-Wertes), einer Änderung eines chemischen Zustands (z.B. einer Änderung des pH-Wertes) oder des Vorhandenseins einer biologischen Substanz (z.B. von Enzymen, Antikörpern, DNS, MikroRNS und dergleichen) durch Verwenden eines Signalgebers (z.B. eines FET), um ein durch ein Nachweiselement erkanntes Detektionsereignis in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Entsprechend einem Überblick über Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen Ausführungsformen der Erfindung einen Biosensor auf der Grundlage von FETs bereit, deren Gate-Elektrode als 3D-Nanosondenstruktur, beispielsweise als Zylinder, als Pyramide, als Kegel oder Ähnliches geformt ist. Die 3D-Nanosonde kann mit einem Nachweiselement (z.B. TiN) zum Messen von pH-Werten beschichtet sein. Die 3D-Nanosonde kann mit einem anderen Nachweiselement (z.B. Gold) oder zum Messen von Biomolekülen unter Verwendung der Thiol-Chemie beschichtet sein. Zum Detektieren von DNS kann die Goldoberfläche zum Beispiel mit DNS-Einzelsträngen funktionalisiert werden, die komplementär zur Ziel-DNS sind. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die 3D-Nanosonde mit einer Breitenabmessung (z.B. ungefähr 100 nm) und anderen Strukturmerkmalen ausgestattet, die es der 3D-Nanosonde ermöglichen, eine Zellwand zu durchdringen, um mit der Flüssigkeit innerhalb der Zelle in Kontakt zu treten und Messungen an dieser vorzunehmen. Eine typische Zellgröße beträgt ungefähr 5×5 µm². Demgemäß stellen Ausführungsformen der Erfindung eine größere Sensorfläche bereit, wodurch mehr infrage kommende Analyte an die Sensoroberfläche gebunden werden, die Signalstärke erhöht und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird. Ausführungsformen der Erfindung betreffen auch Verfahren zum Herstellen des FET und der 3D-Nanosonden-Struktur sowie Verfahren zum Anwenden des FET und der 3D-Nanosonden-Struktur.
Im Rahmen einer detaillierteren Beschreibung von Aspekten der vorliegenden Erfindung ist 1A ein schematisches Schaubild eines Biosensor-Systems 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung. Das Biosensor-System 100 enthält einen ersten Biosensor 110, einen zweiten Biosensor 120 und einen Prozessor 130, die wie folgt beschaffen und angeordnet sind. Der erste Biosensor 110 enthält eine erste Sensorschaltung 116, die zum Austauschen von Daten mit einer Anordnung von 3D-Nanosonden 112 verbunden ist. Der zweite Biosensor 120 enthält eine zweite Sensorschaltung 126, die zum Austauschen von Daten mit einer Anordnung von 3D-Nanosonden 122 verbunden ist. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können die Sensorschaltungen 116, 126 in Form eines oder mehrerer FETs realisiert werden. Zum einfacheren Veranschaulichen und Beschreiben enthält das Biosensor-System 100 zwei (2) Biosensoren 110, 120, und jeder Biosensor 110, 120 enthält eine (1) Sensorschaltung 116, 126 und zwei (2) 3D-Nanosonden 112, 122, die in der gezeigten Weise konfiguriert und angeordnet sind. Das Biosensor-System 100 kann jedoch mehr als zwei Biosensoren 110, 120 enthalten und jeder Biosensor 110, 120 kann mehr als nur eine Sensorschaltung 116, 126 und eine beliebige Anzahl von Anordnungen mit einer beliebigen Anzahl von 3D-Nanosonden 112, 122 enthalten. Ein Ausgang 118 der ersten Sensorschaltung führt von der ersten Sensorschaltung 116 zu dem Prozessor 130. Ein Ausgang 126 der zweiten Sensorschaltung führt von der zweiten Sensorschaltung 126 zu dem Prozessor 130.
Der Behälter 102 haltert eine Probe 140, die mehrere biologische Zellen 142A, 142B, 142C enthält. Zum einfacheren Veranschaulichen und Beschreiben sind in 1A nur drei (3) biologische Zellen dargestellt. In der Probe 140 kann jedoch eine beliebige Anzahl biologischer Zellen sein. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung werden die 3D-Nanosonden 112, 122 in vitro angewendet, und gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung werden die 3D-Nanosonden 112, 122 in vivo angewendet. Gemäß einigen Ausführungsformen werden die 3D-Nanosonden 112, 122 perkutan angewendet. Demgemäß kann der Behälter eine Vielfalt an Formen annehmen. Bei in-vitro-Anwendungen kann der Behälter 102 in Form einer beliebigen Struktur angewendet werden, die zum Aufnehmen einer Probe (z.B. der Probe 140) zum Analysieren durch das Biosensor-System 100 eingerichtet ist. Bei perkutanen oder in-vivo-Anwendungen dient als Behälter 102 der lebende Organismus, in dem das Biosensor-System 100 eingesetzt wird. Demgemäß sind in den hierin bereitgestellten Beschreibungen bei einer Bezugnahme auf den Behälter 102 alle möglichen Formen des Behälters 102 gemeint.
Der erste Biosensor 110 stellt ein Beispiel für einen Aspekt der Erfindung dar, bei dem die 3D-Nanosonden 112 eine Wand einer biologischen Zelle (z.B. die Zellwand 144 der biologischen Zelle 142A) durchdringen und in Kontakt mit Flüssigkeit (z.B. der intrazellulären Flüssigkeit 146) innerhalb der biologischen Zelle treten. Jede 3D-Nanosonde 112 erzeugt, zumindest aufgrund Inkontaktbringens mit einem vorgegebenen Stoff innerhalb der biologischen Zelle, ein erstes Messergebnis und stellt dieses Messergebnis direkt oder indirekt der Sensorschaltung 116 zur Verfügung.
Der zweite Biosensor 120 stellt ein Beispiel für einen Aspekt der Erfindung dar, bei dem die 3D-Nanosonde 112 mit der Probe 140 wechselwirkt, jedoch nicht unbedingt eine Wand einer biologischen Zelle (z.B. die Zellwand 144 der biologischen Zelle 142A) durchdringt und in Kontakt mit Flüssigkeit (z.B. der intrazellulären Flüssigkeit 146 innerhalb der biologischen Zelle tritt. Jede 3D-Nanosonde 122 erzeugt, zumindest teilweise aufgrund des Inkontaktbringens mit einem vorgegebenen Stoff in der Probe 140 ein zweites Messergebnis und stellt dieses Messergebnis direkt oder indirekt der Sensorschaltung 126 zur Verfügung.
Das Biosensor-System 100 wird zum Messen verschiedener Arten physikalischer und chemischer Parameter verwendet. Die Arbeitsweise des ersten Biosensors 110 ist im Wesentlichen der Arbeitsweise des zweiten Biosensors 120 identisch. Demgemäß gilt die folgende Beschreibung der Arbeitsweise des ersten Biosensors 110 auch für den zweiten Biosensor 120. Die Sensorschaltung des FET 116 dient als Signalgeber, und die 3D-Nanosonden 112 können mit einem Stoff beschichtet werden, der es ihnen ermöglicht, als biologisches Nachweiselement (auch unter der Bezeichnung Biosensor-Elektrode bekannt) zu fungieren. Gemäß der hierin im Folgenden ausführlicheren Beschreibung und gemäß Ausführungsformen der Erfindung stellen die 3D-Nanosonden 112 eine größere Sensorfläche (z.B. die in den 1A und 1B gezeigte Sensorfläche 113, 113A) als bekannte Biosensor-Elektroden bereit, die auf 2D-Sensorflächen beschränkt sind. Die Sensorfläche 113 der 3D-Nanosonden 112 kann mit einer Bio-Dünnschicht, zum Beispiel ein Rezeptor, ein Enzym, ein Antikörper, DNS oder eine andere Art Einfangmolekül, versehen werden, die für den Zielanalyt biologisch spezifisch ist. Die Sensorfläche der 3D-Nanosonden 112 kann zum Beispiel zum Detektieren der lonenkonzentration (z.B. des pH-Wertes) oder der Konzentration von Ziel-Biomolekülen (z.B. DNS, MikroRNS, Enzyme, Antikörper und dergleichen) eingerichtet sein. Der oben erwähnte Begriff „Zielanalyt“ und dessen Varianten werden hierin zum Bezeichnen eines Ions, eines Zielmoleküls oder einer beliebigen anderen biologischen Substanz verwendet.
Sobald die Zielionen und/oder -moleküle eine Bindung mit den Sensorflächen 113 der 3D-Nanosonden 112 eingegangen sind, ändert sich die Ladungsverteilung an der Sensorfläche der 3D-Nanosonden 112, wodurch es zu einer entsprechenden Änderung des elektrostatischen Oberflächenpotenzials an einer (nicht gezeigten) Gate-Elektrode der FET-Sensorschaltung 116 kommt. Durch diese Änderung des Oberflächenpotenzials wird eine Spannung an die Gate-Elektrode der FET-Sensorschaltung 116 angelegt, was zu einem Spannungsabfall (Vgs) an der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode der FET-Sensorschaltung 116 führt. Wenn es durch die angelegte Spannung zu einem Spannungsabfall Vgs kommt, der die Schwellenspannung (Vth) erreicht, beginnt ein Strom von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode der FET-Sensorschaltung 116 zu fließen. Die Schwellenspannung Vth ist als der Wert von Vgs definiert, bei dem in dem FET-Kanal eine ausreichende Dichte beweglicher Elektronen oder Löcher entsteht, sodass der Kanal leitfähig wird. Der Wert von Vgs und der resultierende Stromfluss zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode durch die FET-Sensorschaltung 116 sind der Anzahl der Zielionen und/oder -moleküle proportional, die eine Bindung mit der Sensorfläche der 3D-Nanosonden 112 eingehen.
Die Änderung des Stroms (oder der Leitfähigkeit) durch die FET-Sensorschaltung 116 wird als Ausgabewert 118 der FET-Sensorschaltung zum Prozessor 130 übertragen und dort analysiert, um den Analyt zu detektieren, der eine Bindung mit der Sensorfläche der 3D-Nanosonden 112 eingegangen ist. Der Prozessor 130 kann als (nicht gezeigte) Biosensor-Leseeinheit realisiert sein, die den Ausgabewert 118 der FET-Sensorschaltung empfängt, bei Bedarf ferner Verarbeitung durchführt und die Ergebnisse in benutzerfreundlichen Formen anzeigt, die leichter messbar und quantifizierbar sind.
Nunmehr wird eine ausführlichere Beschreibung der in 1A gezeigten 3D-Nanosonden 112, 122 unter Bezugnahme auf die in 1B gezeigten beispielhaften Formen 112A, 112B, 112C, 112D von 3D-Nanosonden bereitgestellt. Die in 1B gezeigten Formen 112A, 112B, 112C, 112D von 3D-Nanosonden können sowohl auf den ersten Biosensor 110 als auch auf den zweiten Biosensor 120 angewendet werden, die in 1A gezeigt sind. In 1A stellt die 3D-Nanosonde 112A ein Beispiel einer zylindrischen Form, die 3D-Nanosonde 112B ein Beispiel einer regulären Pyramidenform, die 3D-Nanosonde 112C ein Beispiel einer gestreckten Pyramidenform und die 3D-Nanosonde 112 ein Beispiel einer Kegelform dar. Es ist zu sehen, dass die Formen 112A, 112B, 112C, 112D jeder der 3D-Nanosonden eine Höhendimension (H), eine Breitendimension (W) und eine Tiefendimension (D) enthalten. Jede Form 112A, 112B, 112C, 112D der 3D-Nanosonden definiert Außenflächen 113A, 113B, 113C, 113D und Spitzenbereiche 114A, 114B, 114C, 114D. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die Spitzenbereiche 114A, 114B, 114C, 114D so gestaltet, dass sie an den Spitzen 115A, 115B, 115C, 115D enden.
1C stellt ein Blockschaubild einer bekannten Biosensor-Elektrode 150 mit einer im Wesentlichen ebenen 2D-Sensorfläche 152 dar. 1C stellt auch ein Blockschaubild einer Biosensor-Elektrode 170 mit einer Anordnung von 3D-Nanosonden 112A dar, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung auf einer im Wesentlichen ebenen 2D-Fläche 172 gebildet sind. Zum einfacheren Veranschaulichen und Erläutern ist die Biosensor-Elektrode 170 mit einer Anordnung zylindrischer 3D-Nanosonden 112A dargestellt. Die Biosensor-Elektrode 170 kann jedoch auch mit einer Anordnung regulärer pyramidenförmiger 3D-Nanosonden 112B, gestreckter pyramidenförmiger 3D-Nanosonden 112C, kegelförmiger 3D-Nanosonden 112D oder einer beliebigen Kombination und Anordnung derselben realisiert werden.
Aus den 1B und 1C ist klar ersichtlich, dass die Formen 112A, 112B, 112C, 112D von 3D-Nanosonden jeweils Außenflächen 113A, 113B, 113C, 113D definieren, die jeweils eine Höhendimension (H), eine Breitendimension (W) und eine Tiefendimension (D) haben. Die Außenflächen 113A, 113B, 113C, 113D können mit einem Nachweiselement beschichtet sein, um als Sensorflächen zu fungieren, und die durch die Sensorflächen 113A, 113B, 113C, 113D bereitgestellten Sensorflächenbereiche sind durch die Dimensionen H, W und D der Sensorflächen 113A, 113B, 113C, 113D definiert. Gemäß einigen Ausführungsformen kann bei der Endkonfiguration der Biosensor-Elektrode 170 die im Wesentlichen ebene 2D-Fläche 172 freibleiben, sodass auch die Fläche 172 mit einem Nachweiselement beschichtet werden kann, um einen zusätzlichen Sensorflächenbereich für die Biosensor-Elektrode 170 bereitzustellen. Bei dem Nachweiselement kann es sich um eine Bio-Dünnschicht, zum Beispiel ein Rezeptor, ein Enzym, ein Antikörper, DNS oder eine andere Art Bindungsmolekül, handeln, die für den Zielanalyt biologisch spezifisch ist. Das Nachweiselement kann so beschaffen sein, dass es zum Beispiel die lonenkonzentration (z.B. den pH-Wert) oder die Konzentration von Ziel-Biomolekülen (z.B. DNS, MikroRNS, Enzyme, Antikörper und dergleichen) detektiert.
Der Begriff „Zielanalyt“ wird hierin verwendet, um ein Ion, ein Zielmolekül oder eine beliebige andere biologische Substanz zu bezeichnen.
Demgemäß werden mittels Ausführungsformen der Erfindung die Anzahl der Elektrodenparameter, die zum Vergrößern der Sensoroberfläche eingestellt werden können, und somit die Signalstärke der Sensorfläche sowie das Signal-Rausch-Verhältnis der Sensorfläche erhöht. Genauer gesagt, zu den Elektrodenparametern gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Bereitstellen von 3D-Nanosonden, die 3D-Form der 3D-Nanosonde, die Höhendimension der 3D-Nanosonde, Zusammenstellen mehrerer 3D-Nanosonden zu einer Anordnung, Zusammenstellen mehrerer 3D-Nanosonden auf einer 2D-Elektrodenfläche, Zusammenstellen mehrerer 3D-Nanosonden auf einer 2D-Elektrodenfläche derart, dass Teile der 2D-Elektrodenfläche freibleiben, um zusätzlich zu den durch die 3D-Nanosonden bereitgestellten Sensoroberflächen weitere Sensoroberfläche bereitzustellen, sowie Varianten und Kombinationen derselben. Bei der bekannten Biosensor-Elektrode 150 beschränken sich die zum Vergrößern der Sensoroberfläche einstellbaren Elektrodenparameter auf die Breitendimension (W) und die Tiefendimension (D) der im Wesentlichen ebenen 2D-Sensorfläche 152, denen jeweils der Nachteil anhaftet, den Platzbedarf der Elektrode zu vergrößern.
Die Dimensionen W, D und H der 3D-Nanosonden 112, 122, 112A, 112B, 112C, 112D können je nach konstruktiven Gesichtspunkten variieren. Zum Beispiel können die Dimensionen W, D und H der 3D-Nanosonden 112, 122, 112A, 112B, 112C, 112D so gewählt werden, dass sie vorgegebene Werte, Werte innerhalb vorgegebener Bereiche, Werte mit festen Größenverhältnissen oder Werte auf der Grundlage anderer Gesichtspunkte oder Kombinationen von Gesichtspunkten gemäß der Funktionalität der hierin beschriebenen 3D-Nanosonden 112, 122, 112A, 112B, 112C, 112D haben.
2 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren 200 zum Verwenden des Biosensor-Systems 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. In Block 202 wird auf die Probe 140 zugegriffen. In Block 204 wird die Probe 140 in Kontakt mit der 3D-Sensorflächenstruktur 113 der 3D-Nanosondenstruktur 112 des Biosensors 110 gebracht. Der Biosensor 110 enthält die Sensorschaltung 116, die zum Austauschen von Daten mit der 3D-Nanosondenstruktur 112 und der 3D-Sensorflächenstruktur 113 verbunden ist. In Block 206 führt die 3D-Sensorflächenstruktur 113 zumindest teilweise auf der Grundlage Inkontaktbringens der 3D-Sensorflächenstruktur 113 mit einem vorgesehenen Stoff in der Probe 140 eine erste Messung durch. In Block 208 erzeugt die Sensorschaltung 116 zumindest teilweise auf der Grundlage der ersten Messung einen Ausgabewert 118 der Sensorschaltung, der einer vorgegebenen Eigenschaft des vorgegebenen Stoffes proportional ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Probe 140 in Kontakt mit der 3D-Sensorflächenstruktur 113 gebracht werden, indem die Sensorflächenstruktur 113 in einen Behälter 102 eingesetzt wird, der die Probe 140 enthält. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Probe 140 in Kontakt mit der Sensorflächenstruktur 113 gebracht werden, indem ausreichend hoher Druck ausgeübt wird, damit die 3D-Nanosondenstruktur 112 die Zellwand 144 der biologischen Zelle 142A durchdringt und in Kontakt mit Flüssigkeit 146 innerhalb der biologischen Zelle 142A tritt. Der Druck kann durch die 3D-Nanosondenstruktur 112, die biologische Zelle 142 oder beide ausgeübt werden. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird der Biosensor 110 so lange näher zu der biologischen Zelle 142A hin verschoben, bis das Biosensor-System 100 den Messwert des betreffenden Analyten erfasst hat, der in bestimmten Fällen nur innerhalb der biologischen Zelle 142A zu finden ist. Wenn das Biosensor-System 100 einen von null abweichenden Wert des betreffenden Stoffes misst, kann somit davon abgeleitet werden, dass der Biosensor 110 die Zellwand 144 durchdrungen hat und kein zusätzlicher Druck zum Verschieben des Biosensors 110 erforderlich ist. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird in Fällen, bei denen sich die biologische Zelle 142A in einem Behälter 102 mit einer eindeutig definierten, steifen Bodenfläche befindet, der Biosensor 110 so lange auf die biologische Zelle 142A und die Behältereinheit 102 zu verschoben, bis die Sensorsonden 112 die Zellwand 144 durchdringen, und sich die Verschiebung durch den Boden des Behälters 102 verlangsamt. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält der Biosensor 110 ein eingebautes Mikroskop, das zum Ermitteln der Lage der Biosensorsonden 112 in Bezug auf die Zellwand 144 verwendet wird. Der Biosensor 112 mit dem eingebauten Mikroskop wird auf die biologische Probe 140 fokussiert. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung sind die Probe 140 und der Behälter 102 ähnlich wie bei einem herkömmlichen Mikroskop auf einem verschiebbaren Tisch angeordnet, und der Tisch wird so lange auf die Biosensorsonden 112 zu verschoben, bis die Biosensorsonden 112 die Zellwand 144 durchdringen.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die oben beschriebene 3D-Nanosondenstruktur als Anordnung (z.B. die in 1C gezeigte Anordnung 170) mit mehreren 3D-Nanosonden 112A und mehreren 3D-Sensorflächen 113A realisiert.
3 stellt ein detailliertes Beispiel zum Implementieren des (in 1A gezeigten) Prozessors 130 als Computersystem 130A dar, das eine beispielhafte Datenverarbeitungseinheit („Computer“) 320 enthält, die zum Empfangen des (in 1A gezeigten) Ausgabewertes 118 der Sensorschaltung von der (in 1A gezeigten) Sensorschaltung 116 und zum Verarbeiten/Analysieren desselben gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist. Zusätzlich zu dem Computer 320 beinhaltet das beispielhafte Computersystem 130A ein Netzwerk 334, das den Computer 320 mit weiteren (nicht gezeigten) Systemen verbindet, und kann ein oder mehrere Weitverkehrsnetze (WAN) und/oder lokale Netze (LAN) wie das Internet, Intranet(s) und/oder drahtlose Datenübertragungsnetze beinhalten. Der Computer 320 und weitere Systeme stehen über ein Netzwerk 334 in Verbindung miteinander, um z.B. Daten untereinander auszutauschen.
Der beispielhafte Computer 320 enthält Prozessorkerne 322, Hauptspeicher („Speicher“) 328 und Eingabe/Ausgabe-Komponente(n) 330, die über einen Bus 332 miteinander verbunden sind. Prozessorkerne 322 enthalten Cachespeicher 324 und Steuereinheiten 326. Cachespeicher 324 kann mehrere (nicht dargestellte) Cachespeicher-Ebenen enthalten, die auf demselben Chip wie der Prozessor 322 oder außerhalb angeordnet sind. Speicher 324 kann verschiedene darin gespeicherte Daten enthalten, z.B. Anweisungen, Software, Routinen usw., die z.B. durch Steuereinheiten 326 zum Ausführen durch Prozessor 322 zu dem Cachespeicher 324 oder von diesem übertragen werden können. Eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe-Komponenten 330 können eine oder mehrere Komponenten enthalten, die lokale und/oder ferngesteuerte Eingabe/Ausgabe-Operationen zu/von dem Computer 320 ermöglichen, beispielsweise ein (nicht dargestellter) Bildschirm, eine Tastatur, ein Modem, ein Netzwerkadapter usw.
Die 4 bis 13 veranschaulichen ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden eines Biosensors 110A mit 3D-Nanosonden gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Der in den 4 bis 13 gezeigte Biosensor 110A ist eine beispielhafte Implementierung des in 1A gezeigten ersten und zweiten Biosensors 110, 120. Bei dem in den 4 bis 13 veranschaulichten Beispiel ist der Biosensor 110A als Halbleitereinheit, genauer gesagt als Feldeffekttransistor (FET) mit einer 3D-strukturierten Nanosonde, implementiert, die gemäß einigen Ausführungsformen zum Durchdringen einer Zellwand und zum Durchführen direkter intrazellulärer Messungen innerhalb der Zelle eingerichtet sein kann. Nunmehr werden allgemeine Beschreibungen von Prozessen zum Herstellen von Halbleitereinheiten bereitgestellt, die zum Implementieren des Biosensors 110A gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Zwar können spezielle zum Implementieren des Biosensors 110A verwendete Arbeitsschritte im Einzelnen bekannt sein, jedoch sind die beschriebene Kombination von Arbeitsschritten und/oder resultierenden Strukturen der vorliegenden Erfindung einzigartig. Somit nutzen die einzigartigen Kombinationen der beschriebenen Arbeitsschritte gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielfalt an einem Halbleitersubstrat (z.B. Silicium) vorgenommener, im Einzelnen bekannter physikalischer und chemischer Prozesse, von denen einige in den unmittelbar folgenden Absätzen ausführlich beschrieben werden.
4 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110A nach einer ersten Fertigungsstufe gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Während der in 4 gezeigten Fertigungsstufe wird unter Verwendung herkömmlicher Fertigungstechniken ein Substrat 402 aus Halbleitermaterial gebildet. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Substrat 402 aus massivem Siliciummaterial gebildet. Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Substrat 402 in einer Substratanordnung Halbleiter-auf-Isolator (SOI) implementiert. Für nicht als Einschränkung zu verstehende Beispiele für das Halbleitermaterial des Substrats 402 kommen Si (Silicium), verspanntes Si, SiC (Siliciumcarbid), Ge (Germanium), SiGe (Silicium-Germanium), SiGeC (Silicium-Germanium-Kohlenstoff), Si-Legierungen, Ge-Legierungen, III-V-Materialien (z.B. GaAs (Galliumarsenid), InAs (Indiumarsenid), InP (Indiumphosphid) oder Aluminiumarsenid (AlAs)), II-VI-Materialien (z.B. CdSe (Cadmiumselenid), CdS (Cadmiumsulfid), CdTe (Cadmiumtellurid), ZnO (Zinkoxid), ZnSe (Zinkselenid), ZnS (Zinksulfid) oder ZnTe (Zinktellurid)) oder eine beliebige Kombination derselben infrage. Andere nicht als Einschränkung zu verstehende Beispiele von Halbleitermaterialien enthalten III-V-Materialien, zum Beispiel Indiumphosphid (InP), Galliumarsenid (GaAs), Aluminiumarsenid (AlAs) oder beliebige Kombinationen derselben. Die III-V-Materialien enthalten mindestens ein „III-Element“ wie beispielsweise Aluminium (AI), Bor (B), Gallium (Ga), Indium (In) und mindestens ein „V-Element“ wie beispielsweise Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb).
5 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110A nach einer Fertigungsstufe dar, bei der in dem Substrat 402 flache Isolationsgräben (STI) 404 aus einem oxidischen Material unter Verwendung herkömmlicher Techniken zur Fertigung von Halbleitereinheiten und ICs gebildet werden. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen können die STI-Bereiche 404 durch Bilden einer dünnen Oxidationsschicht und nachfolgendes Abscheiden von Siliciumnitrid gebildet werden. Zum Bilden flacher Gräben, die sich durch das Siliciumnitrid und das Oxid in das Substrat 402 erstrecken, können herkömmliche lithografische und Trockenätzprozesse (z.B. RIE) verwendet werden. Seitenwände der flachen Gräben werden unter Verwendung eines thermischen Oxidationsprozesses oxidiert, und ein HDP- oder CVD-Prozess wird verwendet, um die flachen Gräben mit Oxid mehr als auszufüllen. Ein CMP-Prozess wird verwendet, um Oxid von den horizontalen Flächen des Siliciumnitrids zu entfernen. Das Siliciumnitrid wird zum Beispiel unter Verwendung heißer Phosphorsäure entfernt, und das Oxidpolster wird zum Beispiel unter Verwendung von Flusssäure entfernt, was zu den aus Oxidmaterial gebildeten STI-Bereichen 404 führt.
6 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110A nach einer Fertigungsstufe dar, bei der ein Gate-Dielektrikum (z.B. SiO₂) 410, eine Gate-Elektrode 406 aus polykristallinem Silicium und eine Gate-Hartmaske (z.B. SiN) 408 unter Verwendung herkömmlicher Techniken zur Fertigung von Halbleitereinheiten und ICs oberhalb des Substrats 402 gebildet worden sind. Zum Bilden der Gate-Elektrode 406 aus polykristallinem Silicium werden herkömmliche lithografische und Trockenätzprozesse (z.B. RIE) verwendet. Ein Material aus polykristallinem Silicium wird abgeschieden, und der lithografische Prozess wird zum Übertragen von Merkmalen einer Fotolackschicht mittels des Trockenätzprozesses in das Material aus polykristallinem Silicium verwendet. Der Trockenätzprozess wird an der oberen Fläche der dielektrischen Gate-Schicht 410 gestoppt.
7 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110A nach einer Fertigungsstufe dar, bei der Teile des Gate-Dielektrikums 410 und der Hartmasken 408 entfernt und Silicidschichten 414, 414A und Abstandsschichten 412 unter Verwendung herkömmlicher Techniken zur Fertigung von Halbleitereinheiten und ICs gebildet worden sind. Herkömmliche CMOS-Verarbeitungsschritte (z.B. Ionenimplantation) werten zum Bilden von Source/Drain- (S/D-) Bereichen 702 verwendet, zu denen auch S/D-Erweiterungsbereiche gehören. Die S/D-Bereiche 702 werden durch einen RTA-Prozess aktiviert.
8 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110A nach einer Fertigungsstufe dar, bei der eine Oxidfüllung 416 auf dem Biosensor 110A abgeschieden und dann wieder zum Bilden einer ebenen Oxidfläche poliert worden ist. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird die Oxidfüllung unter Verwendung eines HDP- oder SACVD-Abscheidungsprozesses abgeschieden. Zum Bilden der ebenen Fläche der Oxidfüllung 416 kann ein zeitgesteuerter CMP-Prozess verwendet werden.
9 stellt eine Draufsicht entlang der Schnittlinie A-A' des in 8 gezeigten Biosensors 110A dar.
10 stellt eine Draufsicht entlang der Schnittlinie A-A' des in 8 gezeigten Biosensors 110A nach einer Fertigungsstufe dar, bei der herkömmliche lithografische und Trockenätzprozesse zum Bilden von Kontaktlöchern 418 verwendet werden, die sich durch die (in 8 gezeigte) Oxidfüllung 416 und über die Gate-Bereiche 406 hinweg erstrecken.
11 stellt eine Querschnittsansicht des in 10 gezeigten Biosensors 110A, um noch einmal die Kontaktlöcher 418 zu veranschaulichen, die sich durch die (in 8 gezeigte) Oxidfüllung und über die Gate-Bereiche 406 und Teile der S/D-Bereiche 702 hinweg erstrecken.
12 stellt eine Querschnittsansicht des Beispiels 110A nach einer Fertigungsstufe dar, bei der die Kontaktlöcher 418 mit einer Deckschicht (z.B. TaN) ausgekleidet werden, die als Nachweiselement fungiert. Bei dem Nachweiselement kann es sich um eine Bio-Dünnschicht, beispielsweise ein Rezeptor, ein Enzym, ein Antikörper, DNS oder eine andere Art von Bindungsmolekül, handeln, die für den Zielanalyt biologisch spezifisch ist. Das Nachweiselement kann so beschaffen sein, dass es zum Beispiel eine lonenkonzentration (z.B. den pH-Wert) oder die Konzentration von Ziel-Biomolekülen (z.B. DNS, MikroRNS, Enzyme, Antikörper und dergleichen) detektiert. Der Begriff „Zielanalyt“ und dessen Varianten werden hierin verwendet, um ein Ion, ein Zielmolekül oder eine beliebige andere biologische Substanz zu bezeichnen. Die übrigen Hohlräume der Löcher 418 werden mittels ALD oder CVD mit einem Metall (z.B. W) ausgefüllt, um zylindrische 3D-Nanosonden 420 gemäß Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
13 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110A nach einer Fertigungsstufe dar, bei der die Oxidfüllung 416 unter Verwendung eines Hafnium- (Hf-) Abtragungs- oder RIE-Prozesses weiter abgetragen wird, um Endbereiche 422 der zylindrischen 3D-Nanaosonden 420 freizulegen. Abtragen der Oxidfüllung 416 kann so gesteuert und abgestimmt werden, dass ein gewünschter Betrag der Dimension H der zylindrischen 3D-Nanosonden 420 freigelegt wird. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die gesamte Dimension H der zylindrischen 3D-Nanosonden 420 freigelegt werden, um die (in 1B deutlich gezeigte) gesamte Sensorfläche 113A der zylindrischen 3D-Nanosonden 420 freizulegen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die oberste Fläche der Silicidschichten 414A freigelegt und mit einem Nachweiselement beschichtet werden, um zusätzliche Sensorfläche zum Ergänzen der (in 1B deutlich gezeigten) Sensorfläche 113A der zylindrischen 3D-Nanosonden 420 bereitzustellen.
Die 14 bis 18 veranschaulichen ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden eines Biosensors 110B gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Der in den 14 bis 18 gezeigte Biosensor 110B ist eine beispielhafte Implementierung des in 1A gezeigten Biosensors 110. Bei dem in den 14 bis 18 veranschaulichten Beispiel ist der Biosensor 110B als Halbleitereinheit implementiert, genauer gesagt, als FET mit einer gestreckten pyramidenförmigen 3D-Nanosonde des in 1B gezeigten Typs 112C. Im Folgenden werden Prozesse zur Fertigung von Haltleitereinheiten allgemein beschrieben, die zum Implementieren des Biosensors 110B gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Zwar können spezielle zum Implementieren des Biosensors 110B verwendete Fertigungsschritte im Einzelnen bekannt sein, jedoch sind die beschriebene Kombination von Arbeitsschritten und/oder resultierende Strukturen der vorliegenden Erfindung einzigartig. Somit nutzen die beschriebenen einzigartigen Kombinationen von Arbeitsschritten gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielfalt im Einzelnen bekannter physikalischer und chemischer Prozesse, die an einem Halbleitersubstrat (z.B. Silicium) ausgeführt werden, von denen einige in den unmittelbar folgenden Absätzen näher beschrieben werden.
14 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110B nach einer Fertigungsstufe gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem in 14 dargestellten Biosensor 110B sind dieselben in den 4 bis 8 dargestellten Fertigungsschritte mit Ausnahme der Tatsache ausgeführt worden, dass die Oxidfüllung 416 bis zu den Silicidschichten 414A herunterpoliert und eine Deckschicht (z.B. TiTiN oder TaTaN) 430 und eine Metallschicht (z.B. AI oder W) 432 auf dem Biosensor 110B abgeschieden wurden.
15 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110B nach einer Fertigungsstufe dar, bei der auf der Metallschicht 432 ein Fotolackmuster 434 gebildet wird.
16 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110B nach einem Fertigungsschritt dar, bei dem die Metallschicht 432 geätzt worden ist, um das Fotolackmuster 434 auf die Metallschicht 432 zu übertragen
17 stellt eine Querschnittsansicht des Biosensors 110B nach einem Fertigungsschritt dar, bei dem die Metallschichten 432 zu einer gewünschten Form geätzt werden, darunter die Formen einer der in 1C gezeigten 3D-Nanosonden 112A, 112B, 112C, 112D. 18 stellt eine Draufsicht des in 17 gezeigten Biosensors 110B dar. Gemäß der in den 17 und 18 dargestellten Ausführungsform sind die Metallschichten 432 zu einer Form gestreckter pyramidaler 3D-Nanosonden 450 mit Sensoroberflächen 454 und Spitzenbereichen 452 geätzt worden. Gemäß einigen Ausführungsformen werden die Metallschichten 432 durch Ionenstrahlätzen (IBE) unter dem geeigneten Winkel von ungefähr 45 Grad geformt. Die Sensoroberflächen 454 und/oder die Spitzenbereiche 452 können mit einer Vielfalt an Materialien beschichtet werden, damit sie als Nachweiselement fungieren. Das einzelne Beschichtungsmaterial wird zu der betreffenden Anwendung passend ausgewählt.
19 stellt ein schematisches Schaubild dar, das eine Konfiguration zum Verwenden des Biosensors 110A mit 3D-Nanosonden 420 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Bei dem von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode fließenden Strom handelt es sich um das Sensorsignal. Die Gate-Spannung wird an eine Referenzelektrode angelegt, und die Source-Spannung und die Substrat-Spannung werden gleich null (0) Volt gesetzt. Als Drain-Spannung wird eine niedrige Spannung (~25 mV) eingestellt. Die Drain-Spannung ist für n-Typ-FETs positiv und für p-Typ-FETs negativ. Die Sensorfläche der 3D-Nanosonden kann zum Detektieren des pH-Wertes mit TiN, zum Detektieren von Cl mit AgCI und zum Detektieren von Biomolekülen unter Verwendung der Thiol-Chemie mit Gold beschichtet werden.
20 stellt ein schematisches Schaubild zum Veranschaulichen einer Konfiguration zum Verwenden des Biosensors 110A mit 3D-Nanosonden 420 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode fließenden Strom handelt es sich um das Sensorsignal. Die Gate-Spannung wird an eine Referenzelektrode angelegt, und die Source-Spannung und die Substrat-Spannung werden gleich null (0) V gesetzt. Als Drain-Spannung wir eine niedrige Spannung (~25 mV) eingestellt. Die Drain-Spannung ist für n-Typ-FETs positiv und für p-Typ-FETs negativ. Die 3D-Sensorfläche der 3D-Nanosonden kann zum Detektieren des pH-Wertes mit TiN, zum Detektieren von Cl mit AgCI oder zum Detektieren von Biomolekülen unter Verwendung der Thiol-Chemie mit Gold beschichtet werden. Gemäß der in 20 dargestellten Ausführungsform ist die 3D-Nanosonde mit einer Breitendimension (z.B. ungefähr 100 nm) ausgestattet, die es der 3D-Nanosonde ermöglicht, eine Zellwand zu durchdringen, um in Kontakt mit der Flüssigkeit innerhalb der Zelle zu gelangen und Messungen an dieser durchzuführen. Eine typische Zellengröße beträgt ungefähr 5×5 µm². Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein ausreichend hoher Druck ausgeübt, damit die 3D-Nanosondenstruktur die Zellwand der biologischen Zelle durchdringt und in Kontakt mit der Flüssigkeit der biologischen Zelle tritt. Der Druck kann durch die 3D-Nanosondenstruktur, die biologische Zelle oder beide ausgeübt werden, wobei die verschiedenen oben beschriebenen Prozeduren in Verbindung mit dem in 1A gezeigten Biosensor-System verwendet werden.
Zwar wird die vorliegende Erfindung in erster Linie in Verbindung mit der Verwendung an Menschen offenbart, jedoch können die Lehren der vorliegenden Erfindung an Organismen verwendet werden, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, Tiere, Reptilien und Wirbeltiere. Außerdem kann es sich bei der Lösung mit dem Zielanalyt um eine beliebige wässrige Umgebung oder eine Wassermasse handeln, darunter Ozeane, Seen, Flüsse und Teiche.
Somit ist aus der vorhergehenden detaillierten Beschreibung zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung eine Anzahl technischer Vorteile und Auswirkungen bereitstellt. Ausführungsformen der Erfindung stellen einen Biosensor auf der Grundlage von FET bereit, wobei die Gate-Elektrode des FET in einer 3D-Nanosondenstruktur wie ein Zylinder, eine Pyramide, ein Kegel oder Ähnliches geformt ist. Die 3D-Nanosonde kann mit einem Nachweiselement (z.B. TiN) zum Messen des pH-Wertes beschichtet werden. Die 3D-Nanosonde kann mit einem anderen Nachweiselement (z.B. Au) zum Messen von Biomolekülen unter Verwendung der Thiol-Chemie beschichtet werden. Zum Detektieren von DNS kann die Goldoberfläche zum Beispiel mit DNS-Einzelsträngen funktionalisiert werden, die zu der Ziel-DNS komplementär sind. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die 3D-Nanosonde mit einer Breitendimension (z.B. ungefähr 100 µm) und anderen Strukturmerkmalen ausgestattet, die es der 3D-Nanosonde ermöglichen, eine Zellwand zu durchdringen, um in Kontakt mit der Flüssigkeit innerhalb der Zelle zu treten und Messungen an dieser durchzuführen. Eine typische Zellengröße beträgt ungefähr 5×5 µm². Demgemäß stellen Ausführungsformen der Erfindung eine größere Sensoroberfläche bereit, erhöhen die Signalstärke und erhöhen das Signal-Rausch-Verhältnis. Ausführungsformen der Erfindung betreffen auch Verfahren zum Herstellen der FET- und 3D-Nanosondenstruktur sowie Verfahren zum Verwenden der FET- und 3D-Nanosondenstruktur.
Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich um ein System, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt handeln. Das Computerprogrammprodukt kann (ein) durch einen Computer lesbare(s) Speichermedium (oder -medien) beinhalten, auf dem/denen durch einen Computer lesbare Programmanweisungen gespeichert ist/sind, um einen Prozessor dazu zu veranlassen, Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Bei dem durch einen Computer lesbaren Speichermedium kann es sich um eine physische Einheit handeln, die Anweisungen zur Verwendung durch ein System zur Ausführung von Anweisungen behalten und speichern kann. Bei dem durch einen Computer lesbaren Speichermedium kann es sich zum Beispiel um eine elektronische Speichereinheit, eine magnetische Speichereinheit, eine optische Speichereinheit, eine elektromagnetische Speichereinheit, eine Halbleiterspeichereinheit oder jede geeignete Kombination daraus handeln, ohne auf diese beschränkt zu sein. Zu einer nicht erschöpfenden Liste spezifischerer Beispiele des durch einen Computer lesbaren Speichermediums gehören die Folgenden: eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, ein Direktzugriffspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM bzw. Flash-Speicher), ein statischer Direktzugriffspeicher (SRAM), ein tragbarer Kompaktspeicherplatte-Nur-Lese-Speicher (CD-ROM), eine DVD (digital versatile disc), ein Speicher-Stick, eine Diskette, eine mechanisch kodierte Einheit wie zum Beispiel Lochkarten oder gehobene Strukturen in einer Rille, auf denen Anweisungen gespeichert sind, und jede geeignete Kombination daraus. Ein durch einen Computer lesbares Speichermedium soll in der Verwendung hierin nicht als flüchtige Signale an sich aufgefasst werden, wie zum Beispiel Funkwellen oder andere sich frei ausbreitende elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Wellen, die sich durch einen Wellenleiter oder ein anderes Übertragungsmedium ausbreiten (z.B. ein Lichtwellenleiterkabel durchlaufende Lichtimpulse) oder durch einen Draht übertragene elektrische Signale.
Hierin beschriebene, durch einen Computer lesbare Programmanweisungen können von einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium auf jeweilige Datenverarbeitungs/Verarbeitungs-Einheiten oder über ein Netzwerk wie zum Beispiel das Internet, ein lokales Netzwerk, ein Weitverkehrsnetz und/oder ein drahtloses Netzwerk auf einen externen Computer oder eine externe Speichereinheit heruntergeladen werden. Das Netzwerk kann Kupferübertragungskabel, Lichtwellenübertragungsleiter, drahtlose Übertragung, Leitwegrechner, Firewalls, Vermittlungseinheiten, Gateway-Computer und/oder Edge-Server aufweisen. Eine Netzwerkadapterkarte oder Netzwerkschnittstelle in jeder Datenverarbeitungs/Verarbeitungs-Einheit empfängt durch einen Computer lesbare Programmanweisungen aus dem Netzwerk und leitet die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen zur Speicherung in einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium innerhalb der entsprechenden Datenverarbeitungs/Verarbeitungs-Einheit weiter.
Bei durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen zum Ausführen von Arbeitsschritten der vorliegenden Erfindung kann es sich um Assembler-Anweisungen, ISA-Anweisungen (Instruction-Set-Architecture), Maschinenanweisungen, maschinenabhängige Anweisungen, Mikrocode, Firmware-Anweisungen, zustandssetzende Daten oder entweder Quellcode oder Objektcode handeln, die in einer beliebigen Kombination aus einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben werden, darunter objektorientierte Programmiersprachen wie Smalltalk, C++ o.ä. sowie herkömmliche prozedurale Programmiersprachen wie die Programmiersprache „C“ oder ähnliche Programmiersprachen. Die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als eigenständiges Software-Paket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem fernen Computer oder vollständig auf dem fernen Computer oder Server ausgeführt werden. In letzterem Fall kann der entfernt angeordnete Computer mit dem Computer des Benutzers durch eine beliebige Art Netzwerk verbunden sein, darunter ein lokales Netzwerk (LAN) oder ein Weitverkehrsnetz (WAN), oder die Verbindung kann mit einem externen Computer hergestellt werden (zum Beispiel über das Internet unter Verwendung eines Internet-Dienstanbieters). In einigen Ausführungsformen können elektronische Schaltungen, darunter zum Beispiel programmierbare Logikschaltungen, vor Ort programmierbare Gatter-Anordnungen (FPGA, field programmable gate arrays) oder programmierbare Logikanordnungen (PLA, programmable logic arrays) die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen ausführen, indem sie Zustandsinformationen der durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen nutzen, um die elektronischen Schaltungen zu personalisieren, um Aspekte der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind hierin unter Bezugnahme auf Ablaufpläne und/oder Blockschaltbilder bzw. Schaubilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Block der Ablaufpläne und/oder der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder sowie Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplänen und/oder den Blockschaltbildern bzw. Schaubildern mittels durch einen Computer lesbare Programmanweisungen ausgeführt werden können.
Diese durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können einem Prozessor eines Universalcomputers, eines Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, so dass die über den Prozessor des Computers bzw. der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführten Anweisungen ein Mittel zur Umsetzung der in dem Block bzw. den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder festgelegten Funktionen/Schritte erzeugen. Diese durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können auch auf einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium gespeichert sein, das einen Computer, eine programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder andere Einheiten so steuern kann, dass sie auf eine bestimmte Art funktionieren, so dass das durch einen Computer lesbare Speichermedium, auf dem Anweisungen gespeichert sind, ein Herstellungsprodukt aufweist, darunter Anweisungen, welche Aspekte der/des in dem Block bzw. den Blöcken des Ablaufplans und/oder der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder angegebenen Funktion/Schritts umsetzen.
Die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können auch auf einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine andere Einheit geladen werden, um das Ausführen einer Reihe von Prozessschritten auf dem Computer bzw. der anderen programmierbaren Vorrichtung oder anderen Einheit zu verursachen, um einen auf einem Computer ausgeführten Prozess zu erzeugen, so dass die auf dem Computer, einer anderen programmierbaren Vorrichtung oder einer anderen Einheit ausgeführten Anweisungen die in dem Block bzw. den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder festgelegten Funktionen/Schritte umsetzen.
Die Ablaufpläne und die Blockschaltbilder bzw. Schaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder Blockschaltbildern bzw. Schaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Anweisungen darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Ausführung der bestimmten logischen Funktion(en) aufweisen. In einigen alternativen Ausführungen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren gezeigt stattfinden. Zwei nacheinander gezeigte Blöcke können zum Beispiel in Wirklichkeit im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal je nach entsprechender Funktionalität in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ferner anzumerken, dass jeder Block der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder und/oder der Ablaufpläne sowie Kombinationen aus Blöcken in den Blockschaltbildern bzw. Schaubildern und/oder den Ablaufplänen durch spezielle auf Hardware beruhende Systeme umgesetzt werden können, welche die festgelegten Funktionen oder Schritte durchführen, oder Kombinationen aus Spezial-Hardware und Computeranweisungen ausführen.
Die hierin verwendeten Begriffe dienen nur zum Beschreiben einzelner Ausführungsformen und sollen die vorliegende Erfindung nicht einschränken. Die hierin verwendeten Einzahlformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ sollen gleichermaßen auch die Mehrzahlformen beinhalten, sofern aus dem Zusammenhang nicht anderes hervorgeht. Ferner ist klar, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten bedeuten, jedoch das Vorhandensein oder Hinzukommen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und gleichwertigen Entsprechungen aller Mittel oder Schritte zuzüglich Funktionselemente in den folgenden Ansprüchen sollen jede Struktur, jedes Material oder jede Handlung zum Ausführen der Funktion in Kombination mit anderen ausdrücklich beanspruchten Elementen beinhalten. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist zum Veranschaulichen und Beschreiben vorgelegt worden, erhebt jedoch nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder Beschränkung auf die Erfindung in der offenbarten Form. Dem Fachmann sind viele Modifikationen und Varianten offensichtlich, ohne vom Schutzumfang und Wesensgehalt der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Grundgedanken der Erfindung und deren praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern und anderen Fachleuten das Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu erleichtern, die für die jeweils vorgesehene Nutzung geeignet sind.

Claims

Sensor, der aufweist: eine Sensorschaltung; und eine Sonde, die zum Austauschen von Daten mit der Sensorschaltung verbunden ist; wobei die Sonde eine dreidimensionale (3D) Sensorfläche mit einer leitenden Beschichtung eines Nachweiselements aufweist, die zum Erzeugen eines ersten Messwertes zumindest teilweise auf der Grundlage von Wechselwirken der 3D-Sensorfläche mit einem vorgegebenen Stoff eingerichtet ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die 3D-Sensorfläche der Sonde ferner zum Durchdringen einer Wand einer biologischen Zelle und zum Inkontaktbringen mit einer Flüssigkeit innerhalb der biologischen Zelle eingerichtet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorschaltung zum Erzeugen eines Ausgabewertes der Sensorschaltung zumindest teilweise auf der Grundlage des ersten Messwertes konfiguriert ist.
Sensor nach Anspruch 3, wobei der Ausgabewert der Sensorschaltung einer vorgegebenen Eigenschaft des vorgegebenen Stoffes proportional ist.
Sensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei: die Sensorschaltung einen Feldeffekttransistor (FET) aufweist; der erste Messwert eine Spannung aufweist; der FET zum Empfangen der Spannung an einer Gate-Elektrode des FET eingerichtet ist; der Ausgabewert der Sensorschaltung einen Stromfluss von einer Source-Elektrode des FET zu einer Drain-Elektrode des FET aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Form der 3D-Sensorfläche aufweist: eine Pyramide; einen Kegel; oder einen Zylinder.
Sensor nach Anspruch 6, wobei: die Pyramide oder der Kegel eine Spitze enthält; und die Spitze zum Durchdringen einer Wand einer biologischen Zelle und zum Inkontaktbringen mit einer Flüssigkeit innerhalb der biologischen Zelle eingerichtet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei: der Zylinder ein freiliegendes Ende aufweist; und das freiliegende Ende so beschaffen ist, dass es eine Wand einer biologischen Zelle durchdringt und in Kontakt mit einer Flüssigkeit innerhalb der biologischen Zelle gelangt.
Verfahren zum Bilden eines Sensors, wobei das Verfahren aufweist: Bilden einer Sensorschaltung; Bilden einer Sondenstruktur, die eine dreidimensionale (3D) Sondenflächenstruktur aufweist; Verbinden der Sondenstruktur mit der Sensorschaltung zum Austauschen von Daten; Ausstatten der 3D-Sensorflächenstruktur mit einer Beschichtung, die ein Nachweiselement aufweist; ferner Einrichten der 3D-Sensorflächenstruktur zum Erzeugen eines ersten Messwertes zumindest teilweise auf der Grundlage einer Wechselwirkung der 3D-Sensorflächenstruktur mit einem vorgegebenen Stoff.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: die Sondenstruktur eine Anordnung mit einer Vielzahl Sonden aufweist; und und die 3D-Sensorflächenstruktur eine Vielzahl 3D-Sensorflächen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, das ferner Einrichten der 3D-Sensorflächenstruktur der Sondenstruktur derart aufweist, dass diese eine Wand einer biologischen Zelle durchdringt und in Kontakt mit einer Flüssigkeit innerhalb der biologischen Zelle tritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das ferner Konfigurieren der Sensorschaltung zum Erzeugen eines Ausgabewertes der Sensorschaltung zumindest teilweise auf der Grundlage des ersten Messwertes aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Ausgabewert der Sensorschaltung einer vorgegebenen Eigenschaft des vorgegebenen Stoffs proportional ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei: die Sensorschaltung einen Feldeffekttransistor (FET) aufweist; der erste Messwert eine Spannung aufweist; der FET zum Empfangen der Spannung an einer Gate-Elektrode des FET konfiguriert ist; und der Ausgabewert der Sensorschaltung einen Stromfluss von einer Source-Elektrode des FET zu einer Drain-Elektrode des FET aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, das ferner Ausstatten der 3D-Sensorflächenstruktur mit einer Form, die eine Pyramide, einen Kegel oder einen Zylinder aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei: die Pyramide oder der Kegel eine Spitze enthält; und die Spitze so beschaffen ist, dass sie eine Wand einer biologischen Zelle durchdringt und in Kontakt mit einer Flüssigkeit innerhalb der biologischen Zelle tritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei: der Zylinder ein freiliegendes Ende aufweist; und das freiliegende Ende so beschaffen ist, dass es eine Wand einer biologischen Zelle durchdringt und in Kontakt mit einer Flüssigkeit innerhalb der biologischen Zelle tritt.
Verfahren zum Anwenden eines Sensors, wobei das Verfahren aufweist: Zugreifen auf eine Probe; und Inkontaktbringen der Probe mit einem Sensor; wobei der Sensor eine Sensorschaltung aufweist, die zum Austauschen von Daten mit einer Sondenstruktur mit einer dreidimensionalen (3D) Sensorflächenstruktur verbunden ist, die eine Beschichtung mit einem Nachweiselement hat; Anwenden der 3D-Sensorflächenstruktur zum Erzeugen eines ersten Messwertes zumindest teilweise auf der Grundlage von Inkontaktbringen der 3D-Sensorflächenstruktur mit einem vorgegebenen Stoff in der Probe; Verwenden der Sensorschaltung zum Erzeugen eines Ausgabewertes der Sensorschaltung, der einer vorgegebenen Eigenschaft des vorgegebenen Stoffes proportional ist, zumindest teilweise auf der Grundlage des ersten Messwertes.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Inkontaktbringen der Probe mit dem Sensor aufweist, dass die Sonde zum Durchdringen von Wänden einer biologischen Zelle in der Probe veranlasst und in Kontakt mit einer Flüssigkeit innerhalb der biologischen Zelle gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei: die Sondenstruktur eine Anordnung mit einer Vielzahl Sonden aufweist; und die 3D-Sensorflächenstruktur eine Vielzahl 3D-Sensorflächen aufweist.
Computerprogrammprodukt zum Verwenden eines Sensors, wobei das Computerprogrammprodukt aufweist: ein durch einen Computer lesbares Speichermedium, das durch eine Verarbeitungsschaltung lesbar ist und auf dem Anweisungen zum Ausführen durch die Verarbeitungseinheit zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 20 gespeichert sind.
Computerprogrammprodukt, das auf einem durch einen Computer lesbaren Medium gespeichert und in den Arbeitsspeicher eines digitalen Computer ladbar ist und Abschnitte von Softwarecode zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 20 aufweist, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.