EP1483573A1 - Vertikal-impedanz-sensor-anordnung und verfahren zum herstellen einer vertikal-impedanz-sensor-anordnung - Google Patents

Vertikal-impedanz-sensor-anordnung und verfahren zum herstellen einer vertikal-impedanz-sensor-anordnung

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Publication number
EP1483573A1
EP1483573A1 EP03717149A EP03717149A EP1483573A1 EP 1483573 A1 EP1483573 A1 EP 1483573A1 EP 03717149 A EP03717149 A EP 03717149A EP 03717149 A EP03717149 A EP 03717149A EP 1483573 A1 EP1483573 A1 EP 1483573A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor arrangement
impedance sensor
electrically conductive
vertical impedance
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03717149A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Hofmann
R. Johannes Luyken
Wolfgang Roesner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1483573A1 publication Critical patent/EP1483573A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3276—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a hybridisation with immobilised receptors

Definitions

  • the invention relates to a vertical impedance sensor
  • Fig. 1B show a sensor known from the prior art, in which a hybridization event is electrically detected.
  • the sensor 100 has two electrodes 101, 102 made of gold material, which are embedded in an insulating layer 103 made of electrically insulating material. Electrode connections 104, 105 are connected to the electrodes 101, 102, by means of which an electrical potential can be applied to the electrodes 101, 102.
  • the electrodes 101, 102 are planar electrodes. DNA probe molecules 106 are immobilized on each electrode 101, 102.
  • an electrolyte 107 contains DNA strands 108 with a base sequence which is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 106, that is to say which sterically match the probe or capture molecules 106 according to the key-lock principle, these DNA hybridize Strands 108 with the DNA probe molecules 106 as shown in Fig. IB.
  • Hybridization of a DNA probe molecule 106 and a DNA strand 108 takes place only if the sequences of the respective DNA probe molecule 106 and the corresponding DNA half strand 108 are complementary to one another. If a hybridization takes place, the value of the changes
  • Impedance is determined by applying a suitable electrical
  • a method known from the prior art for detecting macromolecular biomolecules using a reduction / oxidation recycling process is described below with reference to FIGS. 2A to 2c, and is also referred to below as a redox recycling process.
  • FIG. 2A shows a biosensor 200 with a first electrode 201 and a second electrode 202, which are applied to an insulator layer 203. On the first electrode 201 and a second electrode 202, which are applied to an insulator layer 203. On the first electrode 201 and a second electrode 202, which are applied to an insulator layer 203. On the first electrode 201 and a second electrode 202, which are applied to an insulator layer 203. On the first
  • a holding area 204 made of gold material is applied to electrode 201.
  • the holding area 204 serves to immobilize DNA probe molecules 205 on the first electrode 201.
  • Such a holding area is not provided on the second electrode 202.
  • the biosensor 200 is to be used to detect DNA strands 207 with a sequence that is complementary to the sequence of the immobilized DNA probe molecules 205, the biosensor 200 is brought into contact with a solution to be examined, for example an electrolyte 206, such that DNA strands 207 possibly containing in the solution to be examined 206 can hybridize with a sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecules 405.
  • a solution to be examined for example an electrolyte 206
  • FIG. 2B shows a scenario according to which DNA strands 207 are to be detected in the solution 206 to be examined are included, one with a DNA probe molecule
  • DNA strands 207 in the solution to be examined are marked with an enzyme 208, with which it is possible to cleave the molecules described below into electrically charged partial molecules.
  • a considerably larger number of DNA probe molecules 205 is usually provided than the DNA strands 207 to be determined are contained in the solution 206 to be examined.
  • the biosensor 200 is rinsed, whereby those DNA strands on which a hybridization event has not taken place are removed and the biosensor 200 is cleaned of the solution 206 to be examined.
  • An electrically uncharged substance which contains molecules which can be cleaved by means of the enzyme 208 is added to a rinsing solution used for rinsing, into a first sub-molecule 210 with a negative electrical charge and into a second sub-molecule with a positive electrical charge.
  • the negatively charged first partial molecules 210 are drawn to the positively charged first electrode 201, which is indicated by an arrow 211 in FIG. 2C.
  • the negatively charged first partial molecules 210 are oxidized on the first electrode 201, which has a positive electrical potential, and are drawn as oxidized partial molecules 213 to the negatively charged second electrode 202, where they are in turn reduced.
  • the reduced partial molecules 214 in turn migrate to the positively charged electrode 201. In this way, an electrical one Circular current generated, which is proportional to the number of charge carriers generated by the enzymes 208 in each case.
  • the known impedance methods have the disadvantage that only a very small electrical signal can be evaluated in each case.
  • the change in the electric field due to the hybridization of DNA half-strands with capture molecules immobilized on a sensor surface is very small.
  • the sensitivity of a sensor arrangement can be improved by reducing the lateral dimension of a planar arrangement of sensor electrodes.
  • FIG. 3A shows a sensor arrangement 300 in which a first electrode 302 is arranged on a substrate 301 at a distance of 1 ⁇ m from a second electrode 303. Capture molecules 304 are immobilized on the electrodes 302, 303 and have hybridized with particles 305 to be detected in accordance with the operating state shown in FIG. 3A.
  • 3A shows first to fourth electric field curves 306a to 306d obtained from simulation calculations, which indicate how strong the electric field between the electrodes 302, 303 is and at what distance from the surface of the substrate 301.
  • a sensor assembly 310 is shown having the same components in essentially comprises • as shown in Figure 3A sensor array 300. However, the lateral spacing between adjacent electrodes 311 and 312, 312 and 313, 313 and 314 respectively 0.2 ⁇ m. Again, first to fourth electrical field curves 315a to 315d are shown in FIG. 3B. As a result of the reduced dimension of the electrodes 311 to 314 compared to the sensor arrangement 300, a considerably larger proportion of the field lies in a region near the surface between the electrodes 311 and 312 than in the scenario of FIG. 3A.
  • the sensor arrangements 300, 310 shown in FIGS. 3A, 3B are made using a semiconductor technology
  • the electrodes are manufactured using lithography processes and etching processes.
  • Interdigital arrangements of vertically arranged electrodes are known from [7], [8], which are set up for the detection of • redox-active particles.
  • a redox-active species is drawn to the electrodes due to an electrical force and detected in the form of an electrical current.
  • [9] discloses methods for the detection of molecules by means of impedance spectroscopy and an apparatus for performing these methods.
  • [10] discloses a method for detecting macromolecular biopolymers using an electrode arrangement.
  • [11] discloses a sensor for identifying molecular structures within a sample.
  • [12] discloses an optimized capacitance sensor for chemical analysis and measurement.
  • [13] discloses a column and row addressable high density biochip arrangement.
  • the invention is based on the problem of providing a sensor arrangement for detecting particles by means of hybridizing the particles with immobilized capture molecules, which sensor arrangement has an improved detection sensitivity.
  • the problem is solved by a vertical impedance sensor arrangement and by a method for producing a vertical impedance sensor arrangement with the features according to FIG. 5 of the independent patent claims.
  • the vertical impedance sensor arrangement has a substrate, a first electrically conductive structure with a first exposed surface, which first
  • electrically conductive structure is arranged in and / or on the substrate, and a spacer arranged above the substrate and / or at least partially on the first electrically conductive structure. There is a second electrically conductive structure on the spacer
  • the vertical impedance sensor arrangement has on the first and the second exposed surface immobilized capture molecules which are set up in such a way that particles to be detected can hybridize with them.
  • a first electrically conductive structure with a first exposed surface is formed in and / or on a substrate. Furthermore, a
  • spacers formed over the substrate and / or at least partially on the first electrically conductive structure.
  • a second electrically conductive structure with a second exposed surface is formed on the spacer.
  • the distance between the sensor electrodes that is to say the first and the second electrically conductive structures, is defined by means of a vertical arrangement.
  • Deposition of a layer as a spacer allows the distance between the electrodes to be set with a very high degree of accuracy.
  • a basic idea of the invention is to be seen in the fact that a thickness of the spacer is by means of a deposition method, and not as in the prior art
  • An atomic layer deposition method or a chemical gas phase epitaxy method are particularly suitable as the deposition method.
  • the accuracy of a deposited layer can be adjusted to an accuracy of up to one atomic position, that is to say to a few angstroms accuracy. A distance between the sensor electrodes of a sensor arrangement can therefore be set with very high accuracy.
  • the minimum distance between the two sensor electrodes from below 100 nm can therefore be easily achieved.
  • the electrical field distribution between the sensor electrodes is reduced by a with a reduced distance between the sensor electrodes
  • Hybridization event particularly strongly influenced.
  • the detection sensitivity of the vertical impedance sensor arrangement according to the invention is significantly increased compared to the prior art.
  • the vertical impedance sensor arrangement according to the invention can be produced using simple lithography and a simple lift-off method. thats why the vertical impedance sensor arrangement can be produced with little effort.
  • two surfaces or surface regions of the first and second electrically conductive structures which are oriented essentially parallel to one another can be formed, which surfaces are arranged at a predetermined distance from one another in the vertical direction of the vertical impedance arrangement.
  • the vertical impedance arrangement can be a sub-micron vertical impedance arrangement, i.e. with at least one structure dimension below one micrometer (e.g. minimum distance between the first and the second electrically conductive structure).
  • a minimum distance between the first and the second electrically conductive structure can only be defined by means of the spacer.
  • a minimum distance between the first and the second electrically conductive structure can be defined using exactly one spacer.
  • the spacer is preferably formed in one piece and / or in one material and / or from an electrically insulating material.
  • the spacer can consist exclusively of a single material, preferably an electrically insulating material.
  • a minimum distance between the first and the second exposed surface is preferably at most
  • the capture molecules can be oligonucleotides, DNA half-strands, peptides, proteins or low-molecular compounds.
  • the capture molecules can be organic or inorganic molecules.
  • a porous permeation layer having pores of a predetermined size can be arranged between at least one of the electrically conductive structures and the capture molecules, such that molecules whose size is smaller than or equal to the predetermined pore size can diffuse through the porous material, whereas molecules whose Size exceeds the predetermined pore size, can not diffuse through the porous material.
  • the vertical impedance sensor arrangement of the invention can have a protective layer on at least a part of the first and / or the second surface area, which protective layer is arranged in such a way that surface sections covered with the protective layer are free from being covered with capture molecules.
  • the capture molecules are often very expensive and difficult to obtain biological molecules, which are often only present in small quantities.
  • a protective layer By covering part of the exposed surface sections of the electrically conductive structures by means of a protective layer or by means of an encapsulation, specific surface areas on which capture molecules are immobilized can be predetermined. This reduces the number of capture molecules required.
  • the substrate is preferably a silicon substrate, a layer sequence made of silicon and silicon nitride or a layer sequence made of silicon and silicon oxide.
  • the first and / or the second electrically conductive structure can be produced from one or a combination of the materials gold, platinum, silver, silicon, aluminum and titanium.
  • Gold in particular is suitable as a material for the electrically conductive structures for many applications since the gold-sulfur coupling is and is particularly chemically advantageous since many capture molecules contain sulfur-containing end groups (for
  • Example have thiol groups, SH).
  • the spacer is preferably made of an electrically insulating material.
  • the spacer is preferably made of silicon oxide (e.g. silicon dioxide) or silicon nitride.
  • the spacer can be made from one or more layers, each of which has one or more materials.
  • the protective layer can be produced from one or a combination of the materials silicon oxide and silicon nitride.
  • the first and / or the second electrically conductive structure can be designed as a conductor track, as a conductor level, as an essentially meandering shape or as an essentially spiral shape.
  • the first and the second electrically conductive structure can be arranged essentially parallel or perpendicular to one another.
  • the vertical impedance sensor arrangement of the invention can also have a plurality of first electrically conductive structures and / or a plurality of second electrically conductive structures.
  • the sensor elements are preferably different
  • Capture molecules that are sensitive to different particles to be detected can be provided.
  • One of the electrically conductive structures can also be used as
  • Conductor level may be provided and the other electrically conductive structure may be provided as an arrangement of conductor tracks, which arrangement is preferably parallel to the
  • Leader level are arranged.
  • the vertical impedance sensor arrangement of the invention is preferably set up as a biosensor for detecting macromolecular biomolecules.
  • the method according to the invention for producing a vertical impedance sensor arrangement is described below. Refinements of the vertical impedance sensor arrangement also apply to the method for producing a vertical impedance sensor arrangement.
  • the thickness of the spacer is preferably specified by means of a deposition process. Since a thickness of the spacer can be set very precisely with a deposition process and since the accuracy in setting the thickness of the spacer is particularly high with a deposition process, the structural dimensions which can be achieved are reduced according to the invention.
  • the spacer is preferably formed by means of an atomic layer deposition process (ALD process) or a chemical gas phase epitaxy process (CVD process, "chemical vapor deposition”).
  • ALD process atomic layer deposition process
  • CVD process chemical gas phase epitaxy process
  • FIGS. 3A, 3B further sensor arrangements according to the prior art with different lateral dimensions of sensor electrodes
  • FIGS 4A to 4C layer sequences at different times during an inventive
  • FIG. 5 shows a vertical impedance sensor arrangement according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a vertical impedance sensor arrangement according to a third exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a vertical impedance sensor arrangement according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 8A shows a cross-sectional view along the section line I-I 'shown in FIG. 8B of a vertical impedance
  • FIG. 8B shows a perspective view of the vertical impedance sensor arrangement shown in FIG. 8A according to the fifth exemplary embodiment of the invention
  • 9A shows a cross-sectional view along the section line II-II 'shown in FIG. 9B of a vertical impedance sensor arrangement according to a sixth exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 9B shows a perspective view of the vertical impedance sensor arrangement shown in FIG. 9A according to the sixth exemplary embodiment of the invention.
  • FIGS. 4A to 4C An exemplary embodiment of the method according to the invention for producing a vertical impedance sensor arrangement is described below with reference to FIGS. 4A to 4C.
  • a passivation layer 402 made of silicon nitride is deposited on a silicon wafer 401. Furthermore, a gold layer is deposited on the passivation layer 402 and under using a vapor deposition method
  • a first gold conductor 403 and a second gold conductor 404 remain on the passivation layer 402. Furthermore, a is on the surface of the layer sequence thus obtained
  • Silicon dioxide layer 405 is deposited using a chemical vapor deposition (CVD) method. Using a CMP process ("chemical mechanical polishing ”) becomes the surface of the silicon dioxide layer
  • a further gold layer is deposited on the layer sequence 400.
  • the further gold layer is structured (for example lift-off) and the silicon dioxide layer 405 is structured by means of an RIE (reactive ion etching) method that the spacer shown in FIG. 4B 411 remains, by means of which a third gold conductor track 412 is spatially and electrically decoupled from the first and second gold conductor tracks 403, 404.
  • RIE reactive ion etching
  • the layer sequence 420 shown in FIG. 4C is obtained by immobilizing DNA half strands 421 as capture molecules on exposed surface areas of the first, second and third gold conductor tracks 403, 404, 412, which are set up in such a way that particles to be detected hybridize with them can.
  • a minimum distance d between the first gold conductor track 403 or the second gold conductor track 404 on the one hand and the third gold conductor track 412 on the other hand is 50 nm. Because of this small distance, which is due to the
  • the vertical impedance sensor arrangement 420 from FIG. 4C is a highly sensitive sensor for detecting biomolecules.
  • a vertical impedance sensor arrangement 500 according to a second exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG.
  • the vertical impedance sensor arrangement 500 differs from the vertical impedance sensor arrangement 420 essentially in that before the application of DNA half strands 421 to exposed surface areas of the gold conductor tracks 403, 404, 412 using a suitable one Etching process of the spacers 411 and the silicon dioxide regions 405 are etched back.
  • the etching process is selected such that the etchant used has a high etching rate with respect to silicon dioxide material, whereas the etching rate with respect to gold material is very low. This leaves an etched-back spacer 501 and etched-back silicon dioxide regions 502, whereas the gold regions 403, 404, 412 are protected against etching.
  • a vertical impedance sensor arrangement 600 according to a third exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG.
  • the vertical impedance sensor arrangement 600 essentially decides from the vertical impedance sensor arrangement 420 in that after the deposition of the first gold layer, the latter is not structured in such a way that a first and a second gold conductor track result 403, 404 are formed. Instead, the first gold layer is structured in such a way that a single first gold conductor track 601 remains.
  • the further method steps for forming the vertical impedance sensor arrangement 600 then take place essentially analogously to the description of FIGS. 4A to 4C.
  • a spacer 602 is formed from silicon dioxide, by means of which the gold conductor track 601 is separated from the gold conductor track 412. Finally, DNA half strands 421 are immobilized on the surface of the layer sequence obtained.
  • a vertical impedance sensor arrangement 700 according to a fourth exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG.
  • the essential difference between the vertical impedance sensor arrangement 700 and the vertical impedance sensor arrangement 600 is that in the vertical impedance sensor arrangement 700 the components made of silicon dioxide 405, 602 before immobilizing the DNA Half strands 421 are etched back on exposed surface areas of the gold conductor tracks 601, 412 using a suitable etching method. As a result, the surface area of the first and third gold conductor tracks 601, 412 provided with capture molecules is increased compared to the arrangement shown in FIG DNA half strands 421 and consequently a higher one
  • Gold conductor tracks 601 and 412 realized.
  • a vertical impedance sensor arrangement 800 according to a fifth exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIGS. 8A, 8B.
  • FIG. 8B shows a perspective view of a part of the vertical impedance sensor arrangement 800.
  • the cross-sectional view of the vertical impedance sensor arrangement 800 shown in FIG. 8A is taken along the section line I-I '.
  • a gold conductor level 801 is formed on the silicon nitride passivation layer 402, which in turn is formed on the silicon substrate 401.
  • a silicon dioxide layer is first deposited on this and then a second gold layer. The latter two layers are structured together in such a way that the silicon dioxide tracks 802 and the gold conductor tracks 803 are left behind. DNA half strands 421 are immobilized on the exposed surfaces of the gold conductor level 801 and the gold conductor tracks 802.
  • a vertical impedance sensor arrangement 900 according to a sixth exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIGS. 9A, 9B.
  • FIG. 9B shows a perspective schematic view of a part of the vertical impedance sensor arrangement 900
  • FIG. 9A shows a cross-sectional view along the section line II-II 'shown in FIG. 9B.
  • a passivation layer 402 made of silicon nitride is deposited on the silicon wafer 401 and a gold conductor level 801 is deposited on the passivation layer 402.
  • a silicon dioxide layer is then deposited on the gold conductor level 801 and structured to form silicon dioxide tracks that run perpendicular to the paper plane of FIG. 9A, so that silicon dioxide material is now contained in particular in the empty spaces 901 shown in FIG. 9A.
  • a silicon nitride layer is deposited on this structured layer sequence.
  • a flat surface of the resulting layer sequence is generated using a CMP method.
  • a further gold layer is deposited on this flat surface and structured together with the underlying layer of silicon nitride or silicon dioxide in such a way that the gold conductor tracks 902 remain in the manner shown in FIGS. 9A, 9B.
  • the gold conductor tracks are essentially orthogonal to the previously formed silicon dioxide tracks.
  • the silicon dioxide material is now removed from the empty spaces 901 shown in FIG. 9A.
  • the etchant is chosen such that the etching rate for • silicon dioxide material high, and for silicon nitride material is very low, so that the silicon nitride spacer 903 between the gold conductor layer 801 and the gold conductive paths 902 in the in Figure 9A, Figure .9B remain as shown.

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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

Beschreibung
Vertikal-Impedanz-Sensor-Änordnung und Verfahren zum
Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-i^nordnung
Die Erfindung betrifft eine Vertikal-Impedanz-Sensor-
Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-
I pedanz-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 Sensoi-Θberflache 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.lB 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 Is.olatorschicht 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.lB 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 könne .
In Fig.2B ist ein Szenario gezeigt, gemäß dem in der zu untersuchenden Lösung 206 zu erfassende DNA-Stränge 207 enthalten 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 lμm 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 lμ 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 0.2μm. 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 200nm 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 20nm und schlechter) ist das Ausbilden einer Sensor-Anordnung mit unter Verwendung eines Struktur!erungsverfahrens 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.
[9] offenbart Verfahren zur Detektion von Molekülen mittels ImpedanzSpektroskopie und eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren.
[10] offenbart ein Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels einer Elektrodenanordnung .
[11] offenbart einen Sensor zum Identifizieren molekularer Strukturen innerhalb einer Probe.
[12] offenbart einen optimierten Kapazitäts-Sensor für chemische Analyse und Messung.
[13] offenbart eine Spalten- und Zeilen-addressierbare Hochdichte-Biochipanordnung .
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 5 den unabhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung weist ein Substrat, eine erste elektrisch leitfähige Struktur mit einer ersten freiliegenden Oberfläche, welche erste
10 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
15 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.
20.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-I pedanz-Sensor-Anordnung wird eine erste elektrisch leitfähige Struktur mit einer ersten freiliegenden Oberfläche in und/oder auf einem Substrat ausgebildet. Ferner wird ein
25 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
30 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 lOOnm 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.
Bei der Vertikal-Impedanz-Anordnung der Erfindung können zwei zueinander im Wesentlichen parallel orientierte Oberflächen oder Oberflächenbereiche der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Strukturen gebildet sein, welche Oberflächen in Vertikal-Richtung der Vertikal-Impedanz- Anordnung in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind.
Die Vertikal-Impedanz-Anordnung kann als Sub-Mikrometer- Vertikal-Impedanz-Anordnung, d.h. mit zumindest einer Strukturdimension unterhalb einem Mikrometer (z.B. Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Struktur) , eingerichtet sein.
Ein Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Struktur kann ausschließlich mittels des Abstandshalters definiert sein. Ein Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Struktur kann mittels genau eines Abstandshalters definiert sein. Der Abstandshalter ist vorzugsweise einstückig und/oder einstoffig und/oder aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Der Abstandshalter kann ausschließlich aus einem einzigen Material, vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Ein Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten freiliegenden Oberfläche beträgt vorzugsweise höchstens
200nm, weiter vorzugsweise höchstens 50nm.
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 j ede 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 mäanderf örmig 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 j edem 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: Figuren 1A, 1B Querschnittsansichten einer Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik in unterschiedlichen Betriebszuständen,
Figuren 2A bis 2C Querschnittsansichten einer anderen Sensor- Anordnung gemäß dem Stand der Technik in unterschiedlichen Betriebszuständen,
Figuren 3A, 3B weitere Sensor-Anordnungen gemäß dem Stand der Technik mit unterschiedlichen lateralen Dimensionen von Sensor-Elektroden,
Figuren 4A bis 4C Schichtenfolgen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz- Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungs eispiel der Erfindung,
Figur 5 eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 6 eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 7 eine Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 8A eine Querschnittsansicht entlang der in Figur 8B gezeigten Schnittlinie I-I' einer Vertikal-Impedanz-
Sensor-Anordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 8B eine perspektivische Ansicht der in Figur 8A gezeigten Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 9A eine Querschnittsansicht entlang der in Figur 9B gezeigten Schnittlinie II-II' einer Vertikal- Impedanz-Sensor-Anordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 9B eine perspektivische Ansicht der in Figur 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-Verf hrens ("reactive ion etching" ) strukturiert, dass der in Fig.4B gezeigte Abstandshalter 411 zurückbleibt, mittels welchem eine dritte Gold-Leiterbahn 412 von 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 ade in Si- technology", Frontiers in Biosensorics, Fundamental
Aspects, Scheller, FW, Schubert, F, Fedrowitz, J (eds.), Birkhauser Verlag Basel, Schweiz, S.267-283
[2] van 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.l, S.l-8
[4] WO 97/21094
[5] DE 19610115 AI
[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, 0, Morita, M, Tabei, H (1991) "Highly Sensitive and Selective Voltammetric Detection of Dopa ine 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
[9] DE 100 15 547 AI
[10] WO 01/75151 A2
[11] WO 97/21094 AI
[12] WO 88/09499 AI
[13] WO 01/43870 A2
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- eit erbahn
602 Abstandshalter
700 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
800 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
801 Gold-Leiterebene
802 Siliziumdioxid-Bahnen
803 Gold- eiterbahnen
900 Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
901 Leerräumen
902 Gold-Leiterbahnen
903 Siliziumnitrid-Abstandshalter

Claims

Patentansprüche :
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 200nm ist.
3. Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Mindestabstand zwischen der ersten und der zweiten freiliegenden Oberfläche höchstens 50nm 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-I pedanz-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-I pedanz-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.
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