(57)【要約】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。【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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
【請求項８】
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
【請求項９】
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
【請求項１０】
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
【請求項１１】
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
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
［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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
［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。
【００２４】
[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。
【００２５】
[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。
【００２６】
[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。
【００２７】
[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。
【００２８】
[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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
本書では、以下の刊行物を引用した。
【００９２】
［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
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の説明】
【００９４】
１００  センサ
１０１  電極
１０２  電極
１０３  絶縁体
１０４  電極端子
１０５  電極端子
１０６  ＤＮＡプローブ分子
１０７  電界液
１０８  ＤＮＡ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
２０５  ＤＮＡプローブ分子
２０６  電界液
２０７  ＤＮＡ鎖
２０８  酵素
２０９  分裂可能な分子
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
４２１  ＤＮＡ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
【図１Ａ】
2005527799.tif 000002
【図１Ｂ】
2005527799.tif 000003
【図２Ａ】
2005527799.tif 000004
【図２Ｂ】
2005527799.tif 000005
【図２Ｃ】
2005527799.tif 000006
【図３Ａ】
2005527799.tif 000007
【図３Ｂ】
2005527799.tif 000008
【図４Ａ】
2005527799.tif 000009
【図４Ｂ】
2005527799.tif 000010
【図４Ｃ】
2005527799.tif 000011
【図５】
2005527799.tif 000012
【図６】
2005527799.tif 000013
【図７】
2005527799.tif 000014
【図８Ａ】
2005527799.tif 000015
【図８Ｂ】
2005527799.tif 000016
【図９Ａ】
2005527799.tif 000017
【図９Ｂ】
2005527799.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月13日(2004.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、上記基板とは別に形成されており、厚さが堆積法によって規定される間隔保持部と、
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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
【請求項８】
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
【請求項９】
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
【請求項１０】
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
【請求項１１】
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
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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、
上記基板とは別に形成され、厚さが堆積法によって規定される間隔保持部を、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。
【請求項１６】
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に記載の方法。
・原子層堆積法
・化学気相エピタキシ法
【国際調査報告】
2005527799.tif 000019
2005527799.tif 000020
2005527799.tif 000021
2005527799.tif 000022
2005527799.tif 000023
2005527799.tif 000024