JP2005527799A

JP2005527799A - Vertical impedance sensor structure and method of manufacturing vertical impedance sensor structure

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Publication number: JP2005527799A
Application number: JP2003576947A
Authority: JP
Inventors: ホフマン，フランツ; ヨハネスルイケン，リヒャルト; レースナー，ヴォルフガング
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2005-09-15
Also published as: DE10211358A1; DE10211358B4; EP1483573A1; WO2003078991A1

Abstract

本発明は、垂直インピーダンスセンサ構造および垂直インピーダンスセンサ構造の製造方法に関するものである。垂直インピーダンスセンサ構造は、基板と第１の導電構造とを備えている。第１の導電構造は、第１の露出表面を備え、基板中および／または基板上に配置されている。間隔保持部は、基板上方および／または第１の導電構造上の少なくとも一部に配置されている。垂直インピーダンスセンサ構造は、第２の導電構造をさらに備えている。この第２の導電構造は第２の露出面を備え、間隔保持部上に配置されている。第１および第２の露出面領域には、認識される粒子とハイブリダイゼーションできるように構成された捕獲分子が固定されている。The present invention relates to a vertical impedance sensor structure and a method for manufacturing the vertical impedance sensor structure. The vertical impedance sensor structure includes a substrate and a first conductive structure. The first conductive structure comprises a first exposed surface and is disposed in and / or on the substrate. The interval holding part is arranged above the substrate and / or at least partly on the first conductive structure. The vertical impedance sensor structure further includes a second conductive structure. The second conductive structure has a second exposed surface and is disposed on the interval holding portion. Capture molecules configured to be able to hybridize with recognized particles are fixed to the first and second exposed surface regions.

Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は、垂直インピーダンスセンサ構造および垂直インピーダンスセンサ構造の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a vertical impedance sensor structure and a method for manufacturing the vertical impedance sensor structure.

バイオチップ構造を使用する分子生体高分子の検出は、化学的、生物学的、薬学的な分析論（Analytik）の複数の分野において非常に興味深い。 The detection of molecular biopolymers using biochip structures is of great interest in several fields of chemical, biological and pharmaceutical analytics (Analytik).

従来技術では、認識される分子に蛍光性ラベル（Fluoreszenzlabel）を備えることが知られている。認識される粒子が、センサ表面に固定された捕獲分子とハイブリダイゼーションした後、ハイブリダイゼーションした粒子へ電磁性の一次光線（elektromagnetische Primaerstrahlung）を入射させる。そして、一次光線を吸収した後、蛍光光線を再発光する蛍光性ラベルの１つを検出することにより、ハイブリダイゼーション現象（Hybridisierungsereignis）を検出することができる。 In the prior art, it is known that a molecule to be recognized is provided with a fluorescent label (Fluoreszenzlabel). After the recognized particles hybridize with the capture molecules immobilized on the sensor surface, an electromagnetic primary beam (elektromagnetische Primaerstrahlung) is incident on the hybridized particles. Then, after absorbing the primary light, a hybridization phenomenon (Hybridisierungsereignis) can be detected by detecting one of the fluorescent labels that re-emit the fluorescent light.

しかしながら、蛍光光線の輝度または光線吸収が原因で減衰した電磁性の光線輝度を認識する分光学的方法は複雑であり、大抵は準備が困難である。さらに、蛍光ラベルによる捕獲分子のマーキング（Markieren）は、エラーが生じやすい。また、電磁性の光線を生成するための装置、または、電磁性の光線を認識するための装置は高価であり、かつ、複雑である。 However, spectroscopic methods for recognizing electromagnetic light intensity attenuated due to fluorescent light intensity or light absorption are complex and often difficult to prepare. Furthermore, the marking of the capture molecules with a fluorescent label (Markieren) is prone to errors. In addition, an apparatus for generating an electromagnetic ray or an apparatus for recognizing an electromagnetic ray is expensive and complicated.

ハイブリダイゼーション現象を検出するために電気的な検出方法を使用する場合は、捕獲分子または認識される粒子に蛍光ラベルを備える必要がない。生体分子を検出するための電気的な方法は、例えば［１］〜［５］に記載されている。 If an electrical detection method is used to detect the hybridization phenomenon, the capture molecule or the recognized particle need not be provided with a fluorescent label. Electrical methods for detecting biomolecules are described in, for example, [1] to [5].

従来技術で知られている、ハイブリダイゼーション現象を電気的に検出するセンサについて、図１Ａ、図１Ｂに示す。 FIG. 1A and FIG. 1B show sensors that are known in the prior art and that electrically detect a hybridization phenomenon.

センサ１００は、金材料（Goldmaterial）で作られた２つの電極１０１，１０２を備えている。これらの電極は、電気絶縁材料で作られた絶縁層１０３に埋設されている。電極１０１，１０２には、電極端子１０４，１０５が接続されている。これらの電極端子を用いて、電極１０１，１０２に電位（elektrisches Potential）を印加することができる。電極１０１，１０２はプレーナ電極（Planarelektroden）である。各電極１０１，１０２上には、ＤＮＡプローブ分子１０６が固定されている。 The sensor 100 includes two electrodes 101 and 102 made of a gold material. These electrodes are embedded in an insulating layer 103 made of an electrically insulating material. Electrode terminals 104 and 105 are connected to the electrodes 101 and 102. An electric potential (elektrisches potential) can be applied to the electrodes 101 and 102 using these electrode terminals. The electrodes 101 and 102 are planar electrodes (Planarelektroden). A DNA probe molecule 106 is fixed on each of the electrodes 101 and 102.

電解液１０７に、ＤＮＡプローブ分子１０６の配列に対して相補的な（すなわち、鍵穴原則（Schluessel-Schloss-Prinzip）に基づいて、プローブまたは捕獲分子１０６と立体的に適合する）基本配列を有するＤＮＡ鎖１０８が含有されている場合、これらＤＮＡ鎖１０８は、図１Ｂに示すように、ＤＮＡプローブ分子１０６とハイブリダイゼーションする。 DNA having a basic sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecule 106 in the electrolyte 107 (ie, sterically compatible with the probe or capture molecule 106 based on the Schluessel-Schloss-Prinzip) If strands 108 are included, these DNA strands 108 hybridize with DNA probe molecules 106, as shown in FIG. 1B.

ＤＮＡプローブ分子１０６とＤＮＡ鎖１０８とのハイブリダイゼーション（Hybridisierung)は、各ＤＮＡプローブ分子１０６の配列と対応するＤＮＡ半鎖１０８の配列とが互いに相補的である場合にのみ起こる。 Hybridization between the DNA probe molecule 106 and the DNA strand 108 occurs only when the sequence of each DNA probe molecule 106 and the sequence of the corresponding DNA half strand 108 are complementary to each other.

ハイブリダイゼーションが起こると、電極１０１，１０２間のインピーダンスの値が変化する。適切な電気信号を電極端子１０４，１０５に印加し、それに伴って生じた電流を認識することによって、この変化したインピーダンスを検出する。 When hybridization occurs, the impedance value between the electrodes 101 and 102 changes. Appropriate electrical signals are applied to the electrode terminals 104 and 105, and the changed impedance is detected by recognizing the current generated therewith.

さらに、酸化還元再生利用工程（Reduktion-/Oxidations-Recycling-Vorgang）（以下ではレドックス再生利用工程ともいう）を用いて巨大分子生体分子を認識するための、従来技術で知られている方法について、図２Ａから図２Ｃを参照しながら以下に説明する。 In addition, with respect to methods known in the prior art for recognizing macromolecular biomolecules using the redoxtion- / Oxidations-Recycling-Vorgang (hereinafter also referred to as redox recycling process), This will be described below with reference to FIGS. 2A to 2C.

図２Ａに、第１電極２０１と第２電極２０２とを備えるバイオセンサ２００を示す。第１電極２０１と第２電極２０２とは、絶縁層２０３上に形成されている。第１電極２０１上に、金材料を含む固定領域２０４が形成されている。固定領域２０４は、第１電極２０１にＤＮＡプローブ分子２０５を固定するために用いられる。第２電極２０２上には、このような固定領域は備えられていない。 FIG. 2A shows a biosensor 200 including a first electrode 201 and a second electrode 202. The first electrode 201 and the second electrode 202 are formed on the insulating layer 203. A fixed region 204 containing a gold material is formed on the first electrode 201. The fixing region 204 is used for fixing the DNA probe molecule 205 to the first electrode 201. Such a fixed region is not provided on the second electrode 202.

固定されたＤＮＡプローブ分子２０５の配列に対して相補的な配列を有するＤＮＡ鎖２０７がバイオセンサ２００によって認識されると、調査される溶液２０６に含まれている可能性のあるＤＮＡ鎖２０７がＤＮＡプローブ分子４０５の配列に対して相補的な配列とハイブリダイゼーションできるように、バイオセンサ２００が調査される溶液（例えば、電解液２０６）と接触される。 When the DNA strand 207 having a sequence complementary to the sequence of the immobilized DNA probe molecule 205 is recognized by the biosensor 200, the DNA strand 207 that may be contained in the solution 206 to be investigated is DNA. The biosensor 200 is contacted with the solution to be investigated (eg, electrolyte 206) so that it can hybridize to a sequence complementary to the sequence of the probe molecule 405.

認識されるべきＤＮＡ鎖２０７が調査される溶液２０６中に含まれており、そのうちの１つがＤＮＡプローブ分子２０５とハイブリダイゼーションしたモデルを図２Ｂに示す。調査される溶液中のＤＮＡ鎖２０７は、酵素２０８を用いてマーキングされており、この酵素を用いて、以下に記述する分子を、電荷を有する（elektrisch geladene）部分分子（Teilmolekuele）に分解することができる。通常、調査される溶液２０６中には、測定されるＤＮＡ鎖２０７の数よりも著しく多い数のＤＮＡプローブ分子２０５が用意されている。 A model in which the DNA strand 207 to be recognized is contained in the solution 206 to be investigated, one of which is hybridized with the DNA probe molecule 205 is shown in FIG. 2B. The DNA strand 207 in the solution to be investigated is marked with the enzyme 208, which is used to break down the molecules described below into an electric (elektrisch geladene) partial molecule (Teilmolekuele). Can do. Usually, in the solution 206 to be investigated, a number of DNA probe molecules 205 which are significantly larger than the number of DNA strands 207 to be measured are prepared.

調査される溶液２０６中に含まれている可能性があるＤＮＡ鎖２０７を、酵素２０８と共に、固定されたＤＮＡプローブ分子２０５とハイブリダイゼーションさせた後、バイオセンサ２００を洗浄する。これにより、ハイブリダイゼーション現象が起こらなかったＤＮＡ鎖を除去し、バイオセンサ２００から調査される溶液２０６を洗い流す。洗浄に用いる洗浄液には、電荷を有していない物質を添加する。この物質は、酵素２０８によって、負の電荷（negativen elektrischen Ladung）を有する第１の部分分子２１０と、正の電荷(positiven elektrischen Ladung)を有する第２の部分分子とに分解できる分子を含有している。 After the DNA strand 207 possibly contained in the solution 206 to be investigated is hybridized with the immobilized DNA probe molecule 205 together with the enzyme 208, the biosensor 200 is washed. As a result, the DNA strand in which the hybridization phenomenon has not occurred is removed, and the solution 206 to be investigated from the biosensor 200 is washed away. A substance having no charge is added to the cleaning liquid used for cleaning. This substance contains a molecule that can be decomposed by enzyme 208 into a first partial molecule 210 having a negative charge (negativen elektrischen Ladung) and a second partial molecule having a positive charge (positiven elektrischen Ladung). Yes.

負に荷電された第１の部分分子２１０は、図２Ｃに示すように、正の電荷を有する第１の電極２０１に引き寄せられる（これを、図２Ｃの矢印２１１で示す）。負の電荷を有する第１の部分分子２１０は、正の電位を有する第１の電極２０１において酸化され、酸化された部分分子２１３として、負の電荷を有する第２の電極２０２に引き寄せられ、元にもどるように（wiederum）還元される。還元された部分分子２１４は、もう一度正に電荷された電極２０１に移動する。このようにして、酵素２０８によって発生したそれぞれの電荷担体の数に比例した電気回路電流が発生する。 The negatively charged first partial molecule 210 is attracted to the first electrode 201 having a positive charge as shown in FIG. 2C (this is indicated by an arrow 211 in FIG. 2C). The first partial molecule 210 having a negative charge is oxidized at the first electrode 201 having a positive potential, and is attracted to the second electrode 202 having a negative charge as an oxidized partial molecule 213, Reduced (wiederum). The reduced partial molecule 214 once again moves to the positively charged electrode 201. In this way, an electric circuit current proportional to the number of each charge carrier generated by the enzyme 208 is generated.

公知のインピーダンス法には、そのつど非常に小さな電気信号しか評価できないという欠点がある。ＤＮＡ半鎖（DNA-Halbstraengen）が、センサ表面に固定された捕獲分子とハイブリダイゼーションした結果生じる電界の変化は、非常に小さいものである。 The known impedance method has the disadvantage that only a very small electrical signal can be evaluated each time. The change in electric field resulting from hybridization of a DNA half-strand (DNA-Halbstraengen) with a capture molecule immobilized on the sensor surface is very small.

［６］から分かるように、センサ電極のプレーナ構造の側方寸法を縮小することによって、センサ構造の感度を改善することができる。 As can be seen from [6], the sensitivity of the sensor structure can be improved by reducing the lateral dimensions of the planar structure of the sensor electrode.

図３Ａに、センサ構造３００を示す。このセンサ構造３００では、基板３０１上の第２の電極３０３から１μｍの間隔を開けて第１の電極３０２が配置されている。図３Ａに示す稼働状態では、電極３０２，３０３に捕獲分子３０４が固定されており、認識される粒子３０５とハイブリダイゼーションした状態となっている。さらに、シミュレーション計算（Simulationsrechnungen）によって得られた第１から第４の電界曲線３０６ａ〜３０６ｂが図３Ａに示されている。これらの電界曲線は、基板３０１の表面からのそれぞれの距離における、電極３０２と電極３０３との間の電界の強さを表している。２つの電極３０２，３０３の横方向の間隔が１μｍである場合、電極３０２，３０３の周囲領域の表面付近には、非常に少ない電界の成分（Anteil）しか存在しない。そして、この領域は、ハイブリダイゼーション現象によって決定的な影響を受ける。従って、図３Ａに示すセンサ構造３００は、検出感度(Nachweissensitivitaet)を改善する必要がある。 FIG. 3A shows a sensor structure 300. In the sensor structure 300, the first electrode 302 is arranged with a 1 μm gap from the second electrode 303 on the substrate 301. In the operating state shown in FIG. 3A, the capture molecules 304 are fixed to the electrodes 302 and 303, and are hybridized with the recognized particles 305. Further, first to fourth electric field curves 306a to 306b obtained by simulation calculation (Simulationsrechnungen) are shown in FIG. 3A. These electric field curves represent the strength of the electric field between the electrode 302 and the electrode 303 at each distance from the surface of the substrate 301. When the distance in the horizontal direction between the two electrodes 302 and 303 is 1 μm, there is very little electric field component (Anteil) near the surface of the surrounding region of the electrodes 302 and 303. This region is critically affected by the hybridization phenomenon. Therefore, the sensor structure 300 shown in FIG. 3A needs to improve the detection sensitivity (Nachweissensitivitaet).

図３Ｂにセンサ構造３１０を示す。このセンサ構造３１０は、基本的に図３Ａに示すセンサ構造３００と同じ構成要素を備えている。ただし、隣り合う電極３１１と３１２、３１２と３１３、３１３と３１４の、それぞれの横方向の間隔は０．２μｍである。また同様に、第１から第４の電界曲線３１５ａ〜３１５ｂを図３Ｂに示す。電極３１１〜３１４はセンサ構造３００よりも寸法が小さい。その結果、電極３１１，３１２間の表面領域には、図３Ａの場合よりもかなり大きな場の成分（Anteil des Feldes）が存在する。 A sensor structure 310 is shown in FIG. 3B. This sensor structure 310 basically comprises the same components as the sensor structure 300 shown in FIG. 3A. However, the distance between the adjacent electrodes 311 and 312, 312 and 313, and 313 and 314 in the horizontal direction is 0.2 μm. Similarly, the first to fourth electric field curves 315a to 315b are shown in FIG. 3B. The electrodes 311 to 314 are smaller in size than the sensor structure 300. As a result, a field component (Anteil des Feldes) that is considerably larger than that in the case of FIG. 3A exists in the surface region between the electrodes 311 and 312.

そして、電界の変化がインピーダンス測定の際に明瞭に検出される。インピーダンスセンサ構造の電極の寸法を小さくすることによって、検出感度は上昇する。 A change in the electric field is clearly detected during impedance measurement. By reducing the size of the electrode of the impedance sensor structure, the detection sensitivity is increased.

図３Ａ，図３Ｂに示すセンサ構造３００，３１０は、半導体技術的な方法で製造される。電極は、詳細には、リソグラフィー法およびエッチング法を用いて製造される。ただし、２００ｎｍ未満の間隔をリソグラフィー法で作製するのは技術的に困難である。これには、非常に高価で難度の高いリソグラフィーを必要とする。非常に小さな寸法のマスクを用いて光リソグラフィーを行うときに望ましくない回折が発生するといった基本的な物理的制限のために、あるいは、リソグラフィーによってパターン形成するときに不正確度が比較的高い（２０ｎｍより悪質なエラー）ために、パターン形成法（Strukturierungsverfahrens）を用いて製造した、とても小さな寸法の電極を有するセンサ構造を形成することは極めて困難である。 The sensor structures 300 and 310 shown in FIGS. 3A and 3B are manufactured by a semiconductor technical method. In detail, the electrode is manufactured by using a lithography method and an etching method. However, it is technically difficult to produce an interval of less than 200 nm by lithography. This requires very expensive and difficult lithography. Relatively high inaccuracies (20 nm) due to basic physical limitations such as undesirable diffraction occurring when performing photolithography using very small size masks, or when patterning by lithography Due to the more vicious errors, it is extremely difficult to form a sensor structure with very small size electrodes manufactured using the patterning method (Strukturierungsverfahrens).

［７］、［８］には、レドックス活性粒子を検出するように構成され、垂直に配置された電極をインターデジタル構造にすることについて記載されている。この場合、電極に電圧を印加することにより、レドックス活性種（redoxaktive Spezies）が電気的な力により電極へ引き寄せられて、電流の形状で検出される。 [7] and [8] describe that an electrode that is configured to detect redox active particles and is vertically arranged has an interdigital structure. In this case, by applying a voltage to the electrode, redox active species are attracted to the electrode by an electrical force and detected in the form of a current.

[９]には、インピーダンス分光器によって分子を検出する方法、および、その方法を実行する装置について記載がなされている。 [9] describes a method for detecting molecules with an impedance spectrometer and an apparatus for performing the method.

[１０]には、電極構造を用いて巨大分子生体高分子を認識する方法について記載がなされている。 [10] describes a method for recognizing macromolecular biopolymers using an electrode structure.

[１１]には、サンプル内で分子構造を同定するセンサについて記載がなされている。 [11] describes a sensor for identifying molecular structure in a sample.

[１２]には、化学的な分析および測定のために最適化された容量センサについて記載がなされている。 [12] describes a capacitive sensor optimized for chemical analysis and measurement.

[１３]には、列方向および行方向に所在可能な（Spalten- undZeilen-addressierbare）高密度バイオチップ構造について記載がなされている。 [13] describes a high density biochip structure that can be located in the column and row directions (Spalten-undZeilen-addressierbare).

本発明の課題は、固定した捕獲分子と粒子とをハイブリダイゼーションさせることにより粒子を認識するセンサ構造において、検出感度が向上したセンサ構造を提供することである。 An object of the present invention is to provide a sensor structure with improved detection sensitivity in a sensor structure that recognizes particles by hybridizing immobilized capture molecules and particles.

本課題は、独立特許請求項に記載した特徴を有している垂直インピーダンスセンサ構造および垂直インピーダンスセンサ構造の製造方法によって解決される。 This problem is solved by a vertical impedance sensor structure and a method of manufacturing the vertical impedance sensor structure having the features described in the independent patent claims.

本発明に係る垂直インピーダンスセンサ構造は、基板と、第１の露出表面を有し、上記基板中および／または上記基板上に配置されている第１の導電構造と、上記基板上方および／または上記第１の導電構造上の少なくとも一部に配置されている間隔保持部(Abstandshalter)とを備えている。そして、上記間隔保持部上に、第２の露出表面を有する第２の導電構造が配置されている。さらに、上記垂直インピーダンスセンサ構造は、上記第１および第２の露出表面上に、固定された捕獲分子を備えている。上記捕獲分子は、認識される粒子とハイブリダイゼーションできるように構成されている。 The vertical impedance sensor structure according to the present invention comprises a substrate, a first conductive structure having a first exposed surface and disposed in and / or on the substrate, and above and / or the substrate. And an interval holding part (Abstandshalter) disposed on at least a part of the first conductive structure. A second conductive structure having a second exposed surface is disposed on the gap holding portion. Further, the vertical impedance sensor structure comprises capture molecules immobilized on the first and second exposed surfaces. The capture molecule is configured to hybridize with a recognized particle.

本発明に係る、垂直インピーダンスセンサ構造の製造方法によると、第１の露出表面を有する第１の導電構造を、基板中および／または基板上に形成する。さらに、上記基板上方および／または上記第１の導電構造上の少なくとも一部に間隔保持部を形成する。さらに、上記間隔保持部上に、第２の露出表面を有する第２の導電構造を形成する。そして上記第１および第２の露出表面上に、捕獲分子を固定する。この捕獲分子は、認識される粒子とハイブリダイゼーションできるように構成されている。 According to the method of manufacturing a vertical impedance sensor structure according to the present invention, the first conductive structure having the first exposed surface is formed in and / or on the substrate. Further, an interval holding portion is formed above the substrate and / or at least partly on the first conductive structure. Further, a second conductive structure having a second exposed surface is formed on the gap holding portion. A capture molecule is immobilized on the first and second exposed surfaces. The capture molecule is configured to hybridize with the recognized particle.

本発明の垂直インピーダンスセンサ構造では、センサ電極の間隔、すなわち、第１の導電構造と第２の導電構造との間隔が、垂直構造によって規定されている。層を間隔保持部として堆積させることにより、相互の電極の間隔を非常に高い精度で調整することができる。本発明は、従来技術のようにパターン形成法を使用するのではなく、堆積法(Abscheide-Verfahrens)を用いて間隔保持部の厚みを予め決定することを基本的な思想とする。堆積法としては、特に、原子層堆積法（Atomic-Layer-Deposition-Verfahren）または化学気相エピタキシ法（Ghemische-Gasphasenepitaxie-Verfahren）が適切である。特に、原子層堆積法（ＡＬＤ法）では、堆積層を調整する精度を、単一の原子層(Atomlage)、すなわち、数オングストロームまで小さくすることが可能となる。従って、センサ構造のセンサ電極の間隔を非常に高い精度で調整できる。それゆえ、２つのセンサ電極間の最小間隔を１００ｎｍ未満にすることを、何ら問題なく達成することができる。 In the vertical impedance sensor structure of the present invention, the distance between the sensor electrodes, that is, the distance between the first conductive structure and the second conductive structure is defined by the vertical structure. By depositing the layers as spacing holders, the spacing between the electrodes can be adjusted with very high accuracy. The basic idea of the present invention is not to use a pattern formation method as in the prior art, but to predetermine the thickness of the interval holding portion by using a deposition method (Abscheide-Verfahrens). As the deposition method, an atomic layer deposition method (Atomic-Layer-Deposition-Verfahren) or a chemical vapor phase epitaxy method (Ghemische-Gasphasenepitaxie-Verfahren) is particularly suitable. In particular, in the atomic layer deposition method (ALD method), the accuracy of adjusting the deposition layer can be reduced to a single atomic layer (Atomlage), that is, several angstroms. Therefore, the distance between the sensor electrodes of the sensor structure can be adjusted with very high accuracy. Therefore, the minimum distance between the two sensor electrodes can be reduced to less than 100 nm without any problem.

図３Ａ，図３Ｂを参照しながら説明した上記の効果利用して、センサ電極の相互の間隔を短くした場合、センサ電極間の電界分布は、ハイブリダイゼーション現象により著しく強い影響を受ける。その結果、本発明の垂直インピーダンス構造の検出感度は、従来技術よりもかなり上昇する。さらに、この垂直インピーダンスセンサ構造は、簡単なリソグラフィーおよび簡単なリフトオフ法（Lift-Off-Verfahren）によって製造することができる。それゆえ、この垂直インピーダンスセンサ構造を簡単に製造することができる。 When the distance between the sensor electrodes is shortened by using the above-described effect described with reference to FIGS. 3A and 3B, the electric field distribution between the sensor electrodes is significantly influenced by the hybridization phenomenon. As a result, the detection sensitivity of the vertical impedance structure of the present invention is significantly higher than that of the prior art. Furthermore, this vertical impedance sensor structure can be manufactured by simple lithography and simple lift-off-verfahren. Therefore, this vertical impedance sensor structure can be easily manufactured.

本発明の垂直インピーダンス構造は、第１および第２の導電構造の２つの表面または２つの表面領域が、実質的に相互に平行に形成されていてもよく、また、これらの表面が垂直インピーダンス構造の垂直方向に、所定の間隔をおいて相互に配置されていてもよい。 In the vertical impedance structure of the present invention, two surfaces or two surface regions of the first and second conductive structures may be formed substantially parallel to each other, and these surfaces are formed in the vertical impedance structure. They may be arranged in the vertical direction at a predetermined interval.

垂直インピーダンス構造は、サブマイクロメートル垂直インピーダンス構造として、すなわち、少なくとも１箇所（例えば、上記第１の導電構造および第２の導電構造の最小間隔）において１マイクロメートル未満の構造寸法（Strukturdimension）を有するように構成されていてもよい。 The vertical impedance structure has a structural dimension (Strukturdimension) of less than 1 micrometer as a sub-micrometer vertical impedance structure, i.e. at least at one location (e.g. the minimum spacing between the first and second conductive structures). It may be configured as follows.

第１の導電構造と第２の導電構造との最小間隔は、間隔保持部のみによって定義されていてもよい。第１の導電構造と第２の導電構造との最小間隔は、精確に１つの間隔保持部によって定義されていてもよい。上記間隔保持部は、一体型および／または１種類の材料および／または１つの導電材料で形成されていることが好ましい。上記間隔保持部は、単一の材料のみで構成してもよく、当該材料は導電材料であることが好ましい。 The minimum interval between the first conductive structure and the second conductive structure may be defined only by the interval holding unit. The minimum interval between the first conductive structure and the second conductive structure may be precisely defined by one interval holding unit. It is preferable that the space | interval holding | maintenance part is formed with the integral type and / or one type of material, and / or one electrically conductive material. The interval holding part may be composed of only a single material, and the material is preferably a conductive material.

本発明の好ましい発展形は、従属請求項から理解することができる。 Preferred developments of the invention can be taken from the dependent claims.

上記第１および第２の露出表面最小間隔は、２００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。 The minimum distance between the first and second exposed surfaces is preferably 200 nm or less, and more preferably 50 nm or less.

上記捕獲分子は、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ半鎖、ペプチド、蛋白質または低分子化合物であってもよい。また、上記捕獲分子は有機分子または無機分子であってもよい。上記導電構造の少なくとも１つと上記捕獲分子との間に、所定の大きさの孔を有する多孔性浸透層が配置されており、上記所定の孔の大きさよりも小さいか、または、上記所定の孔の大きさと同じ大きさの分子は、多孔性材料を通過して拡散できるのに対して、上記所定の孔の大きさを上回る大きさの分子は、多孔性材料を通過して拡散できないようになっていてもよい。 The capture molecule may be an oligonucleotide, a DNA half chain, a peptide, a protein, or a low molecular compound. The capture molecule may be an organic molecule or an inorganic molecule. A porous permeation layer having a predetermined size of pores is disposed between at least one of the conductive structures and the capture molecules, and the pore size is smaller than the predetermined size or the predetermined size Molecules of the same size as can be diffused through the porous material, whereas molecules larger than the predetermined pore size cannot diffuse through the porous material. It may be.

多くの生物学的な分子は、自由電荷または極端なｐＨ値に対して傷つきやすい。帯電されるセンサ電極、すなわち導電構造、を直接取り囲む領域では、非常に高いｐＨ値あるいは非常に低いｐＨ値が生じることがあり、また、自由電荷担体も生じることがある。これらは生物学的な材料に害を及ぼす可能性がある。センサ電極を少なくとも部分的に被覆している多孔性浸透層によって、浸透層の孔の大きさよりも大きい高分子生体分子は、電荷担体と直接接触することや、あるいは極端なｐＨ値を有する環境から保護されている。これに対して、小さなイオンまたは分子（例えば、塩化ナトリウム、水）は、電極表面へ通過することができる。 Many biological molecules are vulnerable to free charge or extreme pH values. In the region directly surrounding the charged sensor electrode, i.e. the conductive structure, very high or very low pH values may occur and free charge carriers may also occur. These can be harmful to biological materials. Due to the porous osmotic layer at least partially covering the sensor electrode, macromolecular biomolecules larger than the pore size of the osmotic layer can come into direct contact with the charge carrier or from environments with extreme pH values. Protected. In contrast, small ions or molecules (eg, sodium chloride, water) can pass to the electrode surface.

さらに、本発明の垂直インピーダンスセンサ構造は、上記第１および／または第２の表面領域の少なくとも一部上に、少なくとも１つの保護層をさらに備え、当該保護層によって被覆されている表面部分が上記捕獲分子によって被覆されないように上記保護層が構成されていてもよい。 Furthermore, the vertical impedance sensor structure of the present invention further includes at least one protective layer on at least a part of the first and / or second surface region, and the surface portion covered by the protective layer is the above-described surface portion. The protective layer may be configured not to be covered with the capture molecules.

捕獲分子は、大抵、非常に高価で、手に入れにくい生物学的分子であり、また、大抵、ほんの少量しかない。そこで、保護層、あるいは、カプセル化によって導電構造を被覆して、導電構造の露出表面部分を部分的にすることによって、捕獲分子が固定される特定の表面領域を目標に応じて予め決定することができる。その結果、必要とされる捕獲分子の数が減少する。 Capture molecules are usually very expensive, difficult to obtain biological molecules, and usually only a small amount. Therefore, by covering the conductive structure by a protective layer or encapsulation and making the exposed surface portion of the conductive structure partly, the specific surface region to which the capture molecules are fixed is predetermined according to the target. Can do. As a result, the number of capture molecules required is reduced.

また、上記基板は、シリコン基板、シリコンと窒化シリコンとを含む層連続物、または、シリコンと酸化シリコンとを含む層連続物であることが好ましい。 The substrate is preferably a silicon substrate, a layer continuum containing silicon and silicon nitride, or a layer continuum containing silicon and silicon oxide.

また、第１および／または第２の導電構造は、材料である金、白金、銀、シリコン、アルミニウムおよびチタン１つまたは組み合わせで製造されていてもよい。 The first and / or second conductive structure may be made of one or a combination of the materials gold, platinum, silver, silicon, aluminum, and titanium.

特に金は、導電構造用の材料として多くの用途に適している。なぜなら、金−硫黄−連結（Gold-Schwefel-Kopplung）は、化学的に特に有利だからであり、また、多くの捕獲分子は、硫黄を含む末端基（Endgruppe）(例えば、チオール基（ＳＨ）)を有しているからである。 In particular, gold is suitable for many applications as a material for conductive structures. This is because the gold-sulfur-link (Gold-Schwefel-Kopplung) is particularly advantageous chemically, and many capture molecules have end groups containing sulfur (eg, thiol groups (SH)). It is because it has.

また、上記間隔保持部は、電気的に絶縁性の材料で製造されていることが好ましい。上記間隔保持部は、酸化シリコン（例えば、二酸化シリコン）または窒化シリコンで製造されていることが好ましい。上記間隔保持部は、それぞれ１つまたは複数の材料を含む、１つまたは複数の層で製造されていてもよい。 Moreover, it is preferable that the said space | interval holding | maintenance part is manufactured with the electrically insulating material. It is preferable that the interval holding unit is made of silicon oxide (for example, silicon dioxide) or silicon nitride. The spacing part may be made of one or more layers, each containing one or more materials.

また、上記保護層は、材料である酸化シリコンおよび窒化シリコンの１つまたは組み合わせで製造されていてもよい。 The protective layer may be made of one or a combination of silicon oxide and silicon nitride as materials.

また、上記第１および／または第２の導電構造は、導体軌道（Leiterbahn）として、導体面（Leiterebene）として、実質的に蛇行して（maeanderfoermig）延びるように、または、実質的に螺旋状に延びるように形成されていてもよい。 In addition, the first and / or second conductive structure may extend substantially as a conductor track (Leiterbahn), as a conductor surface (Leiterebene), or in a substantially spiral shape. It may be formed to extend.

上記第１および第２の導電構造は、実質的に相互に平行または垂直に配置されていてもよい。 The first and second conductive structures may be arranged substantially parallel or perpendicular to each other.

また、本発明の垂直インピーダンスセンサ構造は、複数の第１の導電構造および／または複数の第２の導電構造を備えていてもよい。 The vertical impedance sensor structure of the present invention may include a plurality of first conductive structures and / or a plurality of second conductive structures.

これらは、各交差領域に１つのセンサ素子を形成するために、例えばマトリックス状に配置されていてもよい。また、センサ素子には、認識される種々の粒子に対して感度を有する種々の捕獲分子が備えられていることが好ましい。 These may be arranged in a matrix, for example, in order to form one sensor element in each intersection region. The sensor element is preferably provided with various capture molecules having sensitivity to various recognized particles.

また、導電構造の一つが、導体面として備えられていてもよく、他の導電構造が、導体軌道の構造として備えられていてもよい。ここで、他の導電構造は、導体面に対して平行に配置されていることが好ましい。 One of the conductive structures may be provided as a conductor surface, and another conductive structure may be provided as a structure of a conductor track. Here, the other conductive structure is preferably arranged in parallel to the conductor surface.

また、本発明の垂直インピーダンスセンサ構造は、高分子生体分子を検出するためのバイオセンサとして構成されていることが好ましい。 The vertical impedance sensor structure of the present invention is preferably configured as a biosensor for detecting a macromolecular biomolecule.

さらに、本発明の垂直インピーダンスセンサ構造の製造方法について説明する。上記垂直インピーダンスセンサ構造の詳細は、垂直インピーダンスセンサ構造の製造方法にも適用される。 Furthermore, the manufacturing method of the vertical impedance sensor structure of this invention is demonstrated. The details of the vertical impedance sensor structure are also applied to the manufacturing method of the vertical impedance sensor structure.

上記間隔保持部の厚さは、堆積法によって予め決定されていることが好ましい。間隔保持部の厚さを堆積法によって非常に正確に調整することができ、また、間隔保持部の厚さを調整する際の精度が堆積法により非常に高くなっているので、本発明によると、達成できる構造寸法は小さくなっている。 It is preferable that the thickness of the interval holding part is determined in advance by a deposition method. According to the present invention, the thickness of the interval holding portion can be adjusted very accurately by the deposition method, and the accuracy in adjusting the thickness of the interval holding portion is very high by the deposition method. The structural dimensions that can be achieved are smaller.

また、上記間隔保持部を、原子層堆積法（ＡＬＤ法）または化学気相エピタキシ法（ＣＶＤ法、「化学蒸着法」）によって形成することが好ましい。 Moreover, it is preferable to form the said space | interval holding | maintenance part by an atomic layer deposition method (ALD method) or a chemical vapor deposition method (CVD method, "chemical vapor deposition method").

本発明の実施例について図に示し、以下に詳しく説明する。 Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in detail below.

図１Ａ，図１Ｂは、様々な稼働状態における、従来技術の或るセンサ構造の断面図である。 1A and 1B are cross-sectional views of a prior art sensor structure in various operating states.

図２Ａ〜図２Ｃは、様々な稼働状態における、従来技術の別のセンサ構造の断面図である。 2A-2C are cross-sectional views of another prior art sensor structure in various operating states.

図３Ａ，３Ｂは、センサ電極の横方向の寸法が様々な、従来技術のさらに別のセンサ構造を示す図である。 FIGS. 3A and 3B are diagrams showing yet another prior art sensor structure in which the lateral dimensions of the sensor electrodes are various.

図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の第１実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を製造するための、本発明に係る方法における様々な時点での層連続物を示す図である。 4A to 4C are diagrams showing layer continuums at various points in the method according to the present invention for manufacturing a vertical impedance sensor structure according to a first embodiment of the present invention.

図５は、本発明の第２実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を示す図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating a vertical impedance sensor structure according to a second embodiment of the present invention.

図６は、本発明の第３実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を示す図である。 FIG. 6 is a view illustrating a vertical impedance sensor structure according to a third embodiment of the present invention.

図７は、本発明の第４実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を示す図である。 FIG. 7 is a view showing a vertical impedance sensor structure according to a fourth embodiment of the present invention.

図８Ａは、本発明の第５実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の図８Ｂに示す交線Ｉ−Ｉ’に沿った断面図である。 FIG. 8A is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ shown in FIG. 8B of the vertical impedance sensor structure according to the fifth embodiment of the present invention.

図８Ｂは、図８Ａに示す本発明の第５実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の斜視図である。 FIG. 8B is a perspective view of the vertical impedance sensor structure according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 8A.

図９Ａは、図９Ｂに示す交点ＩＩ−ＩＩ’に沿った、本発明の第６実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の断面図である。 FIG. 9A is a cross-sectional view of the vertical impedance sensor structure according to the sixth embodiment of the present invention along the intersection II-II ′ shown in FIG. 9B.

図９Ｂは、図９Ａに示す本発明の第６実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の斜視図である。 FIG. 9B is a perspective view of the vertical impedance sensor structure according to the sixth embodiment of the present invention shown in FIG. 9A.

なお、実施例の説明において、種々の実施例に含まれる垂直インピーダンスセンサ構造の同じ構成要素（diejenigen Komponenten）には、同一の部材番号（Bezugsziffern）が付されている。 In the description of the embodiments, the same component numbers (Bezugsziffern) are assigned to the same components (diejenigen Komponenten) of the vertical impedance sensor structures included in the various embodiments.

垂直インピーダンスセンサ構造を製造するための、本発明に係る方法の一実施例について、図４Ａ〜図４Ｃを参照しながら以下に説明する。 One embodiment of the method according to the present invention for manufacturing a vertical impedance sensor structure is described below with reference to FIGS. 4A-4C.

図４Ａに示す層連続物４００を得るために、シリコンウェーハ４１０上に、窒化シリコンで作られたパッシベーション層（Passivierungsschicht）４０２を堆積させる。さらに、パッシベーション層４０２上に蒸着法を用いて金層を堆積させ、フォトリソグラフィー法（例えば、リフトオフ法）を用いてパターン形成する（strukturiert）。その結果、第１の金導体軌道４０３と、第２の金導体軌道４０４とがパッシベーション層４０２上に残る。さらに、このようにして得た層連続物の表面上に、ＣＶＤ法（「化学蒸着法」）を用いて、二酸化シリコン層４０５を堆積させる。そして、ＣＭＰ法（「化学機械研磨」）を用いて二酸化シリコン層４０５の表面を平坦化する。 In order to obtain the layer sequence 400 shown in FIG. 4A, a passivation layer 402 made of silicon nitride is deposited on a silicon wafer 410. Further, a gold layer is deposited on the passivation layer 402 using a vapor deposition method, and a pattern is formed using a photolithography method (for example, lift-off method) (strukturiert). As a result, the first gold conductor track 403 and the second gold conductor track 404 remain on the passivation layer 402. Further, a silicon dioxide layer 405 is deposited on the surface of the layer continuum thus obtained by using a CVD method (“chemical vapor deposition method”). Then, the surface of the silicon dioxide layer 405 is planarized using a CMP method (“chemical mechanical polishing”).

図４Ｂに示す層連続物４１０を得るために、層連続物４００上に、追加の金層を堆積させる。フォトリソグラフィー法用いて上記他の金層をパターン形成し（例えば、リフトオフ）し、ＲＩＥ法（「反応イオンエッチング」）を用いて、図４Ｂに示す間隔保持部４１１が残るように二酸化シリコン層４０５をパターン形成する。この間隔保持部によって、第３の金導体軌道４１２は、第１および第２の金導体軌道４０３，４０４から空間的、かつ、電気的に遮断されている。 An additional gold layer is deposited on the layer sequence 400 to obtain the layer sequence 410 shown in FIG. 4B. The other gold layer is patterned using a photolithography method (for example, lift-off), and using the RIE method (“reactive ion etching”), the silicon dioxide layer 405 is left so that the interval holding portion 411 shown in FIG. 4B remains. The pattern is formed. The third gold conductor track 412 is spatially and electrically cut off from the first and second gold conductor tracks 403 and 404 by this spacing holding portion.

第１，第２，第３の金導体軌道４０３，４０４，４１２の露出した表面領域に、ＤＮＡ半鎖４２１を捕獲分子として固定することにより、図４Ｃに示す層連続物４２０が得られる。ここでＤＮＡ半鎖４２１は、認識される粒子とハイブリダイゼーションできるように構成されている。 By immobilizing the DNA half chain 421 as a capture molecule on the exposed surface regions of the first, second, and third gold conductor tracks 403, 404, and 412, a layer continuum 420 shown in FIG. 4C is obtained. Here, the DNA half-strand 421 is configured to be able to hybridize with recognized particles.

一方の第１の金導体軌道４０３または第２の金導体軌道４０４と、他方の第３の金導体軌道４１２との最小間隔ｄは、５０ｎｍである。堆積法としてＣＶＤ法を用いることにより高度に正確に調整されたこの狭い間隔のおかげで、図４Ｃの垂直インピーダンスセンサ構造４２０は、生体分子を認識するための高感度センサとなっている。 The minimum distance d between one first gold conductor track 403 or second gold conductor track 404 and the other third gold conductor track 412 is 50 nm. Thanks to this narrow spacing, which is highly accurately adjusted by using CVD as the deposition method, the vertical impedance sensor structure 420 of FIG. 4C has become a highly sensitive sensor for recognizing biomolecules.

次に、本発明の第２実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造５００について、図５を参照しながら以下に説明する。 Next, a vertical impedance sensor structure 500 according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

垂直インピーダンスセンサ構造５００は、金導体軌道４０３，４０４，４１２の露出表面領域にＤＮＡ半鎖４２１を形成する前に、適切なエッチング方法を用いて、間隔保持部４１１と二酸化シリコン領域４０５とをエッチバックする点において、垂直インピーダンスセンサ構造４２０と本質的に異なっている。エッチング方法は、使用されるエッチング剤が二酸化シリコン材料に対しては高いエッチング率を有するのに対して、金材料に対しては非常に低いエッチング率を有するように選択される。その結果、エッチバックされた間隔保持部５０１とエッチバックされた二酸化シリコン領域５０２とが残り、それに対して、金領域４０３，４０４，４１２は、エッチングから保護されている。 The vertical impedance sensor structure 500 etches the spacing portion 411 and the silicon dioxide region 405 using an appropriate etching method before forming the DNA half chain 421 in the exposed surface region of the gold conductor tracks 403, 404, and 412. It is essentially different from the vertical impedance sensor structure 420 in that it backs up. The etching method is selected such that the etchant used has a high etch rate for silicon dioxide materials, while having a very low etch rate for gold materials. As a result, the etched back space holding portion 501 and the etched back silicon dioxide region 502 remain, while the gold regions 403, 404, and 412 are protected from etching.

このエッチング方法を実施した後、金導体軌道４０３，４０４，４１２の露出表面に、ＤＮＡ半鎖４２１を備える。エッチバックの結果、導体軌道４０３，４０４，４１２の活用できる表面領域、すなわち、捕獲分子を備える表面領域が大きくなる。これにより、検出感度が高くなる。特に、アンダーエッチング（Unteraetzen）によって、ＤＮＡ半鎖４２１を備えると共に相互に対向している一方の金導体軌道４０３，４０４の表面領域と、他方の金導体軌道４１２とを得ることができ、これら表面領域は、相互に平行に、かつ、構造的に近くに配置されている。 After carrying out this etching method, DNA half-chains 421 are provided on the exposed surfaces of the gold conductor tracks 403, 404, 412. As a result of the etch-back, the surface area where the conductor tracks 403, 404 and 412 can be utilized, that is, the surface area including the trapping molecules becomes large. Thereby, detection sensitivity becomes high. In particular, by under-etching (Unteraetzen), it is possible to obtain the surface region of one gold conductor track 403, 404 having the DNA half chain 421 and facing each other, and the other gold conductor track 412. The regions are arranged parallel to each other and structurally close to each other.

さらに、本発明の第３実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造構造６００について、図６を参照しながら以下に説明する。 Further, a vertical impedance sensor structure 600 according to a third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

垂直インピーダンスセンサ構造６００は、第１の金層を堆積させた後、この層をパターン形成して第１および第２の金導体軌道４０３，４０４を形成しない点において、垂直インピーダンスセンサ構造４２０と本質的に異なっている。その代わりに、唯一の第１の金導体軌道６０１が残るように、第１の金層をパターン形成する。そして、垂直インピーダンスセンサ構造６００を形成するためのその先の方法工程については、図４Ａ〜図４Ｃに係る説明と実質的に同様に行なう。 The vertical impedance sensor structure 600 is essentially the same as the vertical impedance sensor structure 420 in that after depositing the first gold layer, this layer is not patterned to form the first and second gold conductor tracks 403,404. Is different. Instead, the first gold layer is patterned so that only the first gold conductor track 601 remains. Further, the subsequent method steps for forming the vertical impedance sensor structure 600 are performed in substantially the same manner as described with reference to FIGS. 4A to 4C.

詳細には、二酸化シリコンで作った間隔保持部６０２が形成されており、この間隔保持部６０２によって、金導体軌道６０１が金導体軌道４１２から分離されている。最後に、得られた層連続の表面にＤＮＡ半鎖４１２を固定する。 More specifically, an interval holding portion 602 made of silicon dioxide is formed, and the gold conductor track 601 is separated from the gold conductor track 412 by the interval holding portion 602. Finally, the DNA half chain 412 is fixed to the obtained layer-continuous surface.

さらに、本発明の第４実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造７００について、図７を参照しながら以下に説明する。 Further, a vertical impedance sensor structure 700 according to a fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

垂直インピーダンスセンサ構造７００と垂直インピーダンスセンサ構造６００との本質的な違いは、垂直インピーダンスセンサ構造７００では、金導体軌道６０１，４１２の露出表面領域にＤＮＡ半鎖４２１を固定する前に、適切なエッチング方法を使用して二酸化シリコン４０５，６０２で作られた構成要素がエッチバックされている点である。その結果、図６に示す構造と比べて、捕獲分子を備える第１および第３の金導体軌道６０１，４１２の表面領域が大きくなっている。これにより、ＤＮＡ半鎖４２１によって占有される表面(Flaechenbelegung)がより広くなり、その結果として、より高い検出感度が達成される。アンダーエッチングにより、ＤＮＡ半鎖４２１が備えられる、金導体軌道６０１，４１２の相互に対向している平行な表面領域が実現される。 The essential difference between the vertical impedance sensor structure 700 and the vertical impedance sensor structure 600 is that, in the vertical impedance sensor structure 700, appropriate etching is performed before fixing the DNA half-strand 421 to the exposed surface region of the gold conductor tracks 601 and 412. The component made of silicon dioxide 405, 602 is etched back using the method. As a result, the surface regions of the first and third gold conductor tracks 601 and 412 having the trapping molecules are larger than the structure shown in FIG. Thereby, the surface occupied by the DNA half-strand 421 becomes wider, and as a result, higher detection sensitivity is achieved. By under-etching, parallel surface regions of the gold conductor tracks 601 and 412 that are provided with the DNA half-strand 421 are opposed to each other.

さらに、本発明の第５実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造８００について、図８Ａ、図８Ｂを参照しながら以下に説明する。 Furthermore, a vertical impedance sensor structure 800 according to a fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 8A and 8B.

図８Ｂに、垂直インピーダンスセンサ構造８００の一部の斜視図を示す。図８Ａに記載の垂直インピーダンスセンサ構造８００は、交線Ｉ−Ｉ’に沿った断面図である。 FIG. 8B shows a perspective view of a portion of the vertical impedance sensor structure 800. The vertical impedance sensor structure 800 illustrated in FIG. 8A is a cross-sectional view along the intersection line I-I ′.

シリコン基板４０１上に形成されている窒化シリコンパッシベーション層４０２上に、金導体面８０１が形成されている。これらの上に、まず、二酸化シリコン層を堆積させ、さらにその上に、第２の金層を堆積させる。そして、最後の２つの層を、二酸化シリコン軌道８０２と金導体軌道８０３とを残すように、まとめてパターン形成する。そして、金導体面８０１の露出表面上および金導体軌道８０２上にＤＮＡ半鎖４２１を固定する。 A gold conductor surface 801 is formed on the silicon nitride passivation layer 402 formed on the silicon substrate 401. On these, first a silicon dioxide layer is deposited, and further a second gold layer is deposited thereon. The last two layers are then patterned together leaving a silicon dioxide track 802 and a gold conductor track 803. Then, the DNA half chain 421 is fixed on the exposed surface of the gold conductor surface 801 and on the gold conductor track 802.

さらに、本発明の第６実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造９００について、図９Ａ、図９Ｂを参照しながら以下に説明する。 Furthermore, a vertical impedance sensor structure 900 according to a sixth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 9A and 9B.

垂直インピーダンスセンサ構造９００の概略的な斜視図を図９Ｂに示し、図９Ｂの交線ＩＩ−ＩＩ’に沿った断面図を図９Ａに示す。 A schematic perspective view of the vertical impedance sensor structure 900 is shown in FIG. 9B, and a cross-sectional view taken along line II-II ′ of FIG. 9B is shown in FIG. 9A.

垂直インピーダンスセンサ構造９００を製造するため、シリコンウェーハ４０１上に、窒化シリコンで作られたパッシベーション層４０２を堆積させ、このパッシベーション層４０２上に金導体面８０１を堆積させる。次に、金導体面８０１上に二酸化シリコン層を堆積させ、図９Ａの紙面に対して垂直に延びる二酸化シリコン軌道をパターン形成する。その間に（zwischenzeitlich）詳細には図９Ａに示す間隙９０１に二酸化シリコン材料が含まれる。そして、このパターン形成した層連続物上に、窒化シリコン層を堆積させる。その結果得られた層連続物の表面を、ＣＭＰ法を用いて平坦化する。この平坦化した表面上に金層をさらに堆積させ、その下にある窒化シリコンまたは二酸化シリコンで作られた層と共に、図９Ａ，図９Ｂに示す金導体軌道９０２が残るようにパターン形成する。金導体軌道は、これまでに形成された二酸化シリコン軌道に対して、明瞭に実質的に直角に延びている。次に、選択的アンダーエッチング法（Unter-Aetz-Verfahren）を用いて、図９Ａに示す間隙９０１から二酸化シリコン材料を除去する。エッチング剤は、二酸化シリコン材料に対するエッチング率が高くなり、かつ、窒化シリコン材料に対するエッチング率が非常に低くなるように選択する。その結果、図９Ａ、図９Ｂに示すように、金導体面８０１と金導体軌道９０２との間に窒化シリコン間隔保持部９０３が残る。 In order to manufacture the vertical impedance sensor structure 900, a passivation layer 402 made of silicon nitride is deposited on a silicon wafer 401, and a gold conductor surface 801 is deposited on the passivation layer 402. Next, a silicon dioxide layer is deposited on the gold conductor surface 801 to pattern silicon dioxide tracks extending perpendicular to the paper surface of FIG. 9A. In the meantime (zwischenzeitlich), silicon dioxide material is included in the gap 901 shown in detail in FIG. 9A. A silicon nitride layer is then deposited on the patterned layer sequence. The surface of the resulting layer continuum is planarized using a CMP method. A further gold layer is deposited on the planarized surface and patterned with the underlying layer of silicon nitride or silicon dioxide leaving the gold conductor track 902 shown in FIGS. 9A and 9B. The gold conductor track clearly extends substantially perpendicular to the previously formed silicon dioxide track. Next, the silicon dioxide material is removed from the gap 901 shown in FIG. 9A by using a selective under-etching method (Unter-Aetz-Verfahren). The etchant is selected such that the etch rate for the silicon dioxide material is high and the etch rate for the silicon nitride material is very low. As a result, as shown in FIGS. 9A and 9B, the silicon nitride spacing holding portion 903 remains between the gold conductor surface 801 and the gold conductor track 902.

そして、垂直インピーダンスセンサ構造９００の形成方法における更なる工程として、露出している金表面にＤＮＡ半鎖４２１を固定する。 As a further step in the method of forming the vertical impedance sensor structure 900, the DNA half chain 421 is fixed to the exposed gold surface.

本書では、以下の刊行物を引用した。 The following publications are cited in this book.

［１］Hintsche, R, Paeschke, M, Uhlig, A, Seitz, R（1997年）「Ｓｉ技術によって製造された電極を用いるマイクロバイオセンサ(“Microbiosensors using Electrodes made in Si-Technology“)」最先端のバイオセンサ学, 基本原理（Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects）, Scheller, FW, Schubert, F, Fedrowitz, J (編集), Birkhauser出版, バーゼル, スイス, 267〜283ページ
［２］van Gerwen, P (1997年)「生化学センサ用のナノ規模のインターデジタル電極アレイ（Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors）」『ＩＥＥＥ』,ソリッドステートセンサおよび作動装置に関する国際会議, 1997年６月16日〜19日, シカゴ, 907〜910ページ
［３］Paeschke, M, Dietrich, F, Uhlig, A, Hintsche, R (1996)「シリコンを用いて製造された微小電極アレイを使用したボルタンメトリックな多重通信路測定（Voltammetric Multichannel Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays）」電気解析（Electroanalysis）, ７巻, １号, 1〜8ページ
［４］ＰＣＴ特許９７／２１０９４号
［５］ドイツ特許１９６１０１１５号Ａ１
［６］Van Gerwen, P, Laureyn, W, Laureys, W, Huyberechts, G, De Beeck, MO, Baert, K, Suls, J, Sansen, W, Jacobs, P, Hermans, L, Mertens, R (1998) 「生化学センサ用のナノ規模のインターデジタル電極アレイ（Nanoscaled interdigitated electrode arrays for biochemical sensors"）」センサおよび作動装置（Sensors and actuators）49巻：73〜80ページ
［７］Niwa, O, Morita, M, Tabei, H (1991)「垂直分割インターデジタルアレイ電極によるドーパミンの高感度および高選択性のボルタンメトリックな検出（"Highly Sensitive and Selective Voltammetric Detection of Dopamine with Vertically Separated Interdigitated Array Electrodes"）」電気解析（Electroanalysis）3:163〜168
［８］Rehacek, V, Novotny, I, Ivanic, R, Breternitz, V, Spiess, L, Knedlik, CH, Tvarocek, V (2000) 「電気化学検出用に垂直に配置された微小電極アレイ（"Vertically Arranged Microelectrode Array for Electrochemical Sensing"）」高度半導体装置およびマイクロシステムについての第３回国際ヨーロッパ会議, Smolenice Castle, スロバキア, 2000年10月16日〜18日
［９］ドイツ特許第１００１５５４７号Ａ１
［１０］ＰＣＴ特許第０１／７５１５１号Ａ２
［１１］ＰＣＴ特許第９７／２１０９４号Ａ１
［１２］ＰＣＴ特許第８８／０９４８８号Ａ１
［１３］ＰＣＴ特許第０１／４３８７０号Ａ２ [1] Hintsche, R, Paeschke, M, Uhlig, A, Seitz, R (1997) “Microbiosensors using Electrodes made in Si-Technology” Biosensorology, Basic Principles (Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects), Scheller, FW, Schubert, F, Fedrowitz, J (Editor), Birkhauser Publishing, Basel, Switzerland, pages 267-283 [2] van Gerwen, P ( 1997) “Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors”, “IEEE”, International Conference on Solid State Sensors and Actuators, June 16-19, 1997, Chicago, pp. 907-910 [3] Paeschke, M, Dietrich, F, Uhlig, A, Hintsche, R (1996) “Voltammetric multiplex channel measurement using microelectrode arrays fabricated with silicon ( Voltammetric Multichannel Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays ”Electroanalysis, Vol. 7, No. 1, pp. 1-8 [4] PCT Patent No. 97/21094 [5] German Patent No. 19610115 A1
[6] Van Gerwen, P, Laureyn, W, Laureys, W, Huyberechts, G, De Beeck, MO, Baert, K, Suls, J, Sansen, W, Jacobs, P, Hermans, L, Mertens, R (1998 ) “Nanoscaled interdigitated electrode arrays for biochemical sensors” Sensors and actuators, 49: 73-80 [7] Niwa, O, Morita, M, Tabei, H (1991) “Highly Sensitive and Selective Voltammetric Detection of Dopamine with Vertically Separated Interdigitated Array Electrodes” Electroanalysis 3: 163-168
[8] Rehacek, V, Novotny, I, Ivanic, R, Breternitz, V, Spiess, L, Knedlik, CH, Tvarocek, V (2000) "Vertically arranged microelectrode arrays (" Vertically Arranged Microelectrode Array for Electrochemical Sensing ") 3rd International European Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, Smolenice Castle, Slovakia, October 16-18, 2000 [9] German Patent No. 10015547 A1
[10] PCT Patent No. 01/75151 A2
[11] PCT Patent No. 97/21094 A1
[12] PCT Patent No. 88/09488 A1
[13] PCT Patent No. 01/43870 A2

図１Ａ，図１Ｂは、様々な稼働状態における、従来技術の或るセンサ構造の断面図である。1A and 1B are cross-sectional views of a prior art sensor structure in various operating states. 図２Ａ〜図２Ｃは、様々な稼働状態における、従来技術の別のセンサ構造の断面図である。2A-2C are cross-sectional views of another prior art sensor structure in various operating states. 図３Ａ，３Ｂは、センサ電極の横方向の寸法が様々な、従来技術のさらに別のセンサ構造を示す図である。FIGS. 3A and 3B are diagrams showing yet another prior art sensor structure in which the lateral dimensions of the sensor electrodes are various. 図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の第１実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を製造するための、本発明に係る方法における様々な時点での層連続物を示す図である。4A to 4C are diagrams showing layer continuums at various points in the method according to the present invention for manufacturing a vertical impedance sensor structure according to a first embodiment of the present invention. 図５は、本発明の第２実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a vertical impedance sensor structure according to a second embodiment of the present invention. 図６は、本発明の第３実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を示す図である。FIG. 6 is a view illustrating a vertical impedance sensor structure according to a third embodiment of the present invention. 図７は、本発明の第４実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造を示す図である。FIG. 7 is a view showing a vertical impedance sensor structure according to a fourth embodiment of the present invention. 図８Ａは、本発明の第５実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の図８Ｂに示す交線Ｉ−Ｉ’に沿った断面図である。図８Ｂは、図８Ａに示す本発明の第５実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の斜視図である。FIG. 8A is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ shown in FIG. 8B of the vertical impedance sensor structure according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 8B is a perspective view of the vertical impedance sensor structure according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 8A. 図９Ａは、図９Ｂに示す交点ＩＩ−ＩＩ’に沿った、本発明の第６実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の断面図である。図９Ｂは、図９Ａに示す本発明の第６実施例に係る垂直インピーダンスセンサ構造の斜視図である。FIG. 9A is a cross-sectional view of the vertical impedance sensor structure according to the sixth embodiment of the present invention along the intersection II-II ′ shown in FIG. 9B. FIG. 9B is a perspective view of the vertical impedance sensor structure according to the sixth embodiment of the present invention shown in FIG. 9A.

符号の説明Explanation of symbols

１００センサ
１０１電極
１０２電極
１０３絶縁体
１０４電極端子
１０５電極端子
１０６ＤＮＡプローブ分子
１０７電界液
１０８ＤＮＡ鎖
２００バイオセンサ
２０１第１の電極
２０２第２の電極
２０３絶縁層
２０４第１の電極の固定領域
２０５ＤＮＡプローブ分子
２０６電界液
２０７ＤＮＡ鎖
２０８酵素
２０９ ***可能な分子
２１０負に荷電された第１の部分分子
２１１矢印
２１２他の溶液
２１３酸化された第１の部分分子
２１４還元された第１の部分分子
３００センサ構造
３０１基板
３０２第１の電極
３０３第２の電極
３０４捕獲分子
３０５認識される粒子
３０６ａ第１の電界曲線
３０６ｂ第２の電界曲線
３０６ｃ第３の電界曲線
３０６ｄ第４の電界曲線
３１０センサ構造
３１１第１の電極
３１２第２の電極
３１３第３の電極
３１４第４の電極
３１５ａ第１の電界曲線
３１５ｂ第２の電界曲線
３１５ｃ第３の電界曲線
３１５ｄ第４の電界曲線
４００層連続物
４０１シリコンウエーハ
４０２パッシベーション層
４０３第１の金導体軌道
４０４第２の金導体軌道
４０５二酸化シリコン層
４１０層連続物
４１１間隔保持部
４１２第３の金導体軌道
４２０垂直インピーダンスセンサ構造
４２１ＤＮＡ半鎖
５００垂直インピーダンスセンサ構造
５０１間隔保持部
５０２二酸化シリコン領域
６００垂直インピーダンスセンサ構造
６０１第１の金導体軌道
６０２間隔保持部
７００垂直インピーダンスセンサ構造
８００垂直インピーダンスセンサ構造
８０１金導体面
８０２二酸化シリコン軌道
８０３金導体軌道
９００垂直インピーダンスセンサ構造
９０１間隙
９０２金導体軌道
９０３窒化シリコン間隔保持部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Sensor 101 Electrode 102 Electrode 103 Insulator 104 Electrode terminal 105 Electrode terminal 106 DNA probe molecule 107 Electric field liquid 108 DNA chain 200 Biosensor 201 1st electrode 202 2nd electrode 203 Insulating layer 204 Fixed area | region 205 of 1st electrode DNA probe molecule 206 Electrolytic solution 207 DNA chain 208 Enzyme 209 Splittable molecule 210 Negatively charged first partial molecule 211 Arrow 212 Other solution 213 Oxidized first partial molecule 214 Reduced first part Molecular 300 Sensor structure 301 Substrate 302 First electrode 303 Second electrode 304 Capture molecule 305 Recognized particle 306a First electric field curve 306b Second electric field curve 306c Third electric field curve 306d Fourth electric field curve 310 Sensor Structure 311 first power 312 2nd electrode 313 3rd electrode 314 4th electrode 315a 1st electric field curve 315b 2nd electric field curve 315c 3rd electric field curve 315d 4th electric field curve 400 layer continuum 401 silicon wafer 402 passivation layer 403 First gold conductor track 404 Second gold conductor track 405 Silicon dioxide layer 410 Layer continuum 411 Interval holding unit 412 Third gold conductor track 420 Vertical impedance sensor structure 421 DNA half chain 500 Vertical impedance sensor structure 501 Interval holding unit 502 silicon dioxide region 600 vertical impedance sensor structure 601 first gold conductor track 602 spacing holding portion 700 vertical impedance sensor structure 800 vertical impedance sensor structure 801 gold conductor surface 802 silicon dioxide track 803 gold conductor Track 900 vertical impedance sensor structure 901 gap 902 gold conductor tracks 903 silicon nitride interval holding unit

Claims

基板と、
第１の露出表面を有し、上記基板中および／または上記基板上に配置されている第１の導電構造と、
上記基板上方、および／または、上記第１の導電構造の少なくとも一部上に、配置されている間隔保持部と、
上記間隔保持部上に配置されており、第２の露出表面を有する第２の導電構造と、
上記第１および第２の露出表面上に固定され、認識される粒子とハイブリダイゼーションできるように構成されている捕獲分子と、
を備えている、垂直インピーダンスセンサ構造。 A substrate,
A first conductive structure having a first exposed surface and disposed in and / or on the substrate;
An interval holding portion disposed above the substrate and / or on at least a part of the first conductive structure;
A second conductive structure disposed on the spacing portion and having a second exposed surface;
Capture molecules immobilized on the first and second exposed surfaces and configured to hybridize with recognized particles;
A vertical impedance sensor structure.

上記第１の露出表面と上記第２の露出表面との最小間隔が２００ｎｍ以下である、請求項１に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。 The vertical impedance sensor structure according to claim 1, wherein a minimum distance between the first exposed surface and the second exposed surface is 200 nm or less.

上記第１の露出表面と上記第２の露出表面との最小間隔が５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。 The vertical impedance sensor structure according to claim 1, wherein a minimum distance between the first exposed surface and the second exposed surface is 50 nm or less.

上記捕獲分子が以下のいずれかである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。
・オリゴヌクレオチド
・ＤＮＡ半鎖
・ペプチド
・蛋白質
・低分子化合物 The vertical impedance sensor structure according to claim 1, wherein the capture molecule is any of the following.
・ Oligonucleotide ・ DNA half chain ・ Peptide ・ Protein ・ Low molecular weight compound

上記導電構造の少なくとも１つと上記捕獲分子との間に、所定の大きさの孔を有する多孔性浸透層が配置されており、上記所定の孔の大きさ以下の分子は多孔性材料を通過して拡散できる一方、上記所定の孔の大きさを上回る分子は多孔性材料を通過して拡散できないようになっている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。 A porous permeation layer having pores of a predetermined size is disposed between at least one of the conductive structures and the trapping molecules, and molecules having a size smaller than the predetermined pore size pass through the porous material. The vertical impedance sensor structure according to any one of claims 1 to 4, wherein molecules larger than the predetermined pore size cannot be diffused through the porous material.

上記第１の表面領域の少なくとも一部上、および／または、第２の表面領域の少なくとも一部上に、少なくとも１つの保護層をさらに備え、当該保護層によって被覆される表面部分が上記捕獲分子によって被覆されないように上記保護層が構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。 At least one protective layer is further provided on at least part of the first surface region and / or on at least part of the second surface region, and the surface portion covered by the protective layer is the capture molecule. The vertical impedance sensor structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the protective layer is configured not to be covered with the protective layer.

上記基板が以下のいずれかである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。
・シリコン基板
・シリコンと窒化シリコンとを含む層連続物
・シリコンと酸化シリコンとを含む層連続物 The vertical impedance sensor structure according to claim 1, wherein the substrate is any of the following.
-Silicon substrate-Layer continuum containing silicon and silicon nitride-Layer continuum containing silicon and silicon oxide

上記第１および／または第２の導電構造が、以下の材料の１つまたは組み合わせで製造されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。
・金
・白金
・銀
・シリコン
・アルミニウム
・チタン 8. The vertical impedance sensor structure according to any one of claims 1 to 7, wherein the first and / or second conductive structure is made of one or a combination of the following materials.
・ Gold ・ Platinum ・ Silver ・ Silicon ・ Aluminum ・ Titanium

上記間隔保持部が、以下の材料の１つまたは組み合わせで製造されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。
・酸化シリコン
・窒化シリコン The vertical impedance sensor structure according to any one of claims 1 to 8, wherein the interval holding unit is manufactured from one or a combination of the following materials.
・ Silicon oxide ・ Silicon nitride

上記保護層が、以下の材料の１つまたは組み合わせで製造されている、請求項６〜９のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。
・酸化シリコン
・窒化シリコン The vertical impedance sensor structure according to any one of claims 6 to 9, wherein the protective layer is made of one or a combination of the following materials.
・ Silicon oxide ・ Silicon nitride

上記第１および／または第２の導電構造が、以下のいずれかのように形成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。
・導体軌道として
・導体面として
・実質的に蛇行して延びるように
・実質的に螺旋状に延びるように The vertical impedance sensor structure according to claim 1, wherein the first and / or second conductive structure is formed as follows.
・ As a conductor track ・ As a conductor surface ・ Substantially meanderingly extending ・ Substantially spirally extending

上記第１および第２の導電構造が、実質的に相互に平行または垂直に配置されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。 The vertical impedance sensor structure according to any one of claims 1 to 11, wherein the first and second conductive structures are arranged substantially parallel or perpendicular to each other.

複数の第１の導電構造および／または複数の第２の導電構造を有する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。 The vertical impedance sensor structure according to any one of claims 1 to 12, comprising a plurality of first conductive structures and / or a plurality of second conductive structures.

高分子生体分子を検出するためのバイオセンサとして構成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の垂直インピーダンスセンサ構造。 The vertical impedance sensor structure according to claim 1, wherein the vertical impedance sensor structure is configured as a biosensor for detecting a macromolecular biomolecule.

基板中および／または基板上に、第１の露出表面を有する第１の導電構造を形成するステップと、
間隔保持部を、基板上方および／または第１の導電構造の少なくとも一部上に形成するステップと、
上記間隔保持部上に、第２の露出表面を有する第２の導電構造を形成するステップと、
上記第１の露出面上および第２の露出面上に、認識される粒子とハイブリダイゼーションできるように構成されている捕獲分子を固定するステップと、
を含む、垂直インピーダンスセンサ構造の製造方法。 Forming a first conductive structure having a first exposed surface in and / or on the substrate;
Forming a spacing portion above the substrate and / or on at least a portion of the first conductive structure;
Forming a second conductive structure having a second exposed surface on the spacing section;
Immobilizing capture molecules configured to hybridize with recognized particles on the first exposed surface and the second exposed surface;
A method of manufacturing a vertical impedance sensor structure.

上記間隔保持部の厚さを堆積法によって予め決定する、請求項１５に記載の方法。 The method according to claim 15, wherein the thickness of the spacing portion is predetermined by a deposition method.

上記間隔保持部を以下のいずれかを用いて形成する、請求項１５または１６に記載の方法。
・原子層堆積法
・化学気相エピタキシ法 The method according to claim 15 or 16, wherein the interval holding portion is formed using any of the following.
・ Atomic layer deposition ・ Chemical vapor phase epitaxy