JP3559771B2

JP3559771B2 - Probe of scanning probe microscope having channel structure of field effect transistor and method of manufacturing the same

Info

Publication number: JP3559771B2
Application number: JP2001139071A
Authority: JP
Inventors: 根培林; 維槿朴; 鍾業田; ▲ひゅん▼正辛; ▲ようん▼ 鞠
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002340770A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチップの先に電界効果トランジスタのチャンネル（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｃｈａｎｎｅｌ；ＦＥＴｃｈａｎｎｅｌ）構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープ（ｓｃａｎｎｉｎｇｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＰＭ）の探針及びその製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
探針をスキャニングする方式を用いていろいろな物理量を測定できる多様な形態の顕微鏡に発展されたものを通称してスキャニングプローブマイクロスコープ（ｓｃａｎｎｉｎｇｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＰＭ）という。
【０００３】
ＳＰＭの基本構造は先が非常に鋭い（曲律半径１０ｎｍ以下）、チップを有する探針とこれを試料上にスキャニングできるようにするスキャナ、そしてこれらを制御し信号を受けて処理する制御兼情報処理システムより構成される。ＳＰＭは多様な形態で発展してきたが、測定しようとする物理量によって探針が作動する原理も少しずつ違っており、チップと試料との間にかかった電圧差によって流れる電流を用いたＳＴＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、チップと試料との色々な原子間に作用する力を用いたＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、試料の磁場と磁化されたチップ間の力を用いたＭＦＭ（ｍａｇｎｅｔｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、可視光の波長による解像度の限界を改善したＳＮＯＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、試料とチップとの静電気力を用いたＥＦＭ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などの技術が開発された。また、試料に係るチップの種類と製作上の精密度にも多くの発展があった。多様な原理により発展したＳＰＭが測定できる物質の特性も、基本的な用途の表面形状のレベルに留まらずに、摩擦係数、熱伝導性、磁区（ｍａｇｎｅｔｉｃｄｏｍａｉｎ）、強誘電分域（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｏｍａｉｎ）、電位差、電気化学的特性など多様な物理的特性についての微細な測定が可能になった。
【０００４】
図１は既存のＳＰＭ探針を用いたディスク装置の概略的ブロック図である。このＳＰＭ探針を用いたディスク装置は、大きい円形の基板とこの基板上に積層された電極層及びこの電極層上に積層された強誘電体層を具備したディスク８と、前記強誘電体層に誘電分極を形成して情報を記録し、この誘電分極の極性によって前記ディスク面に垂直方向に光波長の１／４に該当する区間を往復しながら情報を読取るマイクロチップ及び光を反射させる反射手段を具備するヘッド９と、前記ヘッド９の垂直方向への往復移動による光経路差を認識して前記記録情報を検出する光学系１００とを具備している。
【０００５】
ここで、ディスク８には円形の基板８ａ上に電極層８ｂ及び誘電分極により情報が記録される強誘電体層８ｃが順に積層されている。ＳＰＭ探針より構成されたヘッド９には強誘電体層８ｃに直接誘電分極を形成して情報を記録し、この誘電分極の極性によって、ディスク面に垂直な方向に光波長の１／４に該当する区間を往復しながら情報を読むマイクロチップ９ａ、光を反射させる反射体９ｂ及び前記マイクロチップ９ａと反射体９ｂを支持するアーム９ｃが備わっている。そして光学系１００には光源のレーザーダイオード１、この光源１から放出された光を平行光に変換するコリメーティングレンズ２、平行光をそのまま通過させ、ディスク面で反射された反射光を分離するビームスプリット３、平行光をディスク面のトラックに回折限界まで集束させる対物レンズ５、反射光を集束させる集束レンズ６及び集束された反射光を電気的信号に変換する光検出器７が備わっている。
【０００６】
このような構成のディスク装置の作動原理は次の通りである。
強誘電体薄膜を電極板に蒸着して、マイクロチップ電極により微細な部分を分極させれば、分極された部分と、分極にならないか逆に分極された部分とは、一定の電圧が印加されたマイクロチップを移動させると、相互間の静電気力に差が生じるので、これを把握することによって互いに区別できる。したがってディスク面の分極量によって一定の電圧が印加されたヘッドを有するマイクロチップに、各々異なる静電力が付与され、この静電力がマイクロチップをλ／４だけ上昇あるいは下降させれば、λ／２だけの光経路差を有する光だけがビームスプリット３から分離されて光検出器７により検出される。
【０００７】
図２は、既存のＳＰＭ探針を用いた物体の表面形状（ＴＯＰＯＬＯＧＹ）を判読する装置の概略的ブロック図である。示したように、カンチレバー探針１９はピエゾ素子２０により振動する間に、試料２１を制御器２５によって制御されるｘ、ｙ、ｚスキャナ２２によって移動すれば、カンチレバー探針１９の尖ったチップ１９ａは試料２０の表面形状に沿ってスキャニングする。したがって、カンチレバー探針１９の胴体は試料の表面形状によって上下に動きながらレーザー光源２３から照射されるレーザービームをフォトデテクター２４に反射させる。このように反射される反射光の光量を電気的信号で検出することによって、試標の表面形状をディスプレイ２７に再現する。
【０００８】
以上のような例で分かるように、探針と試料との間に作用する現象を物理的機具とレーザーを用いて測定するＳＰＭ技術は、探針のチップの先と試料との距離が非常に近くなければならず、チップの先は非常に尖っていなければならない。このような技術は基板の平坦性にも非常に依存するなど制御に多くの難しさがある。また全体システムのサイズが大きいので、超小型ハードディスクなどを製作する時に決定的な問題点になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来の技術の問題点を改善するためのものであって、簡単な構造と周辺装置で探針のチップと試料との間に作用する力を容易に検出できる電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針を提供することにある。
【００１０】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記スキャニングプローブマイクロスコープ探針の製作方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために、本発明は半導体より形成された棒状の探針と、前記探針の先端部分のＶ状チップの中央斜面に第１不純物がドーピングされて形成されたチャンネル領域と、前記チャンネル領域を中心として前記探針の先端部分のＶ状チップの両側斜面に第２不純物がドーピングされて形成されたソース及びドレーンとを具備したことを特徴とする電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針を提供する。
【００１２】
また、前記他の技術的課題を達成するために、本発明は単結晶半導体基板を結晶面に沿って蝕刻してチップを形成する段階と、前記探針の先端部分のＶ状チップの中央尖頭部を含む傾斜面に第１不純物をドーピングしてチャンネル領域を形成する段階と、前記探針の先端部分のＶ状チップの両側斜面に第２不純物をドーピングしてソース及びドレーンを形成する段階とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法を提供する。
【００１３】
本発明において、前記（１）に記載の段階で単結晶半導体基板は（１００）面を有する単結晶シリコン基板を使用し、前記ソース及びドレーンが形成される両側斜面が（１１１）面になるように蝕刻することが望ましい。
【００１４】
本発明はまた、前記他の技術的課題を達成するために、（１）（１００）面単結晶半導体基板を結晶面に沿って蝕刻して棒状の探針を形成するが、その先のチップ部分が平面的に第１の角度を有するＶ状をなさせると同時に前記Ｖ状の両側面が（１１１）面を有するように蝕刻する段階と、（２）前記探針の先端部分のＶ状チップの両側傾斜面に第１不純物をドーピングしてソース及びドレーン領域を形成する段階と、（３）前記第１不純物がドーピングされたソース及びドレーン領域が形成された傾斜面の中央尖頭部を前記第１の角度より大きい第２の角度をなすように前記傾斜面の尖頭部だけを蝕刻して第１不純物が除去されるようにして前記尖頭部に第２不純物がドーピングされたチャンネルを形成する段階とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法を提供する。
【００１５】
本発明において、前記第１の角度は９０゜であり、前記第２の角度は１３６゜であることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針及びその製作方法を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図３は、本発明に係る電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたＳＰＭ探針の概略的構造を示す斜視図である。図示されたように、半導体基板２００を蝕刻して探針２１０構造を形成し、その蝕刻面にドーピングを実施してソース２１１、チャンネル２１２及びドレーン２１３を形成する。図面で符号２２０は各々ソース２２０及びドレーン２１３と接続される電極パッドを示す。
【００１８】
このように、探針２１０のチップの先にソース２１１とドレーン２１３との距離が調節されたＦＥＴのチャンネル構造が形成されれば、このようなチップの先のトランジスタのチャンネルは試料上に分布された多数の電荷濃度が違う領域を感知でき、電荷を集める装置としても使われうる。微細な領域に電荷が集まっている試料は貯蔵装置に使われうる。また特定試料に電荷が集まっている程度も測定できる。
【００１９】
このようなＦＥＴのチャンネルをチップの先に形成した構造は、ゲートにかかる電圧あるいは電荷量に敏感に反応するＭＯＳトランジスタの原理が適用されたものであって、図４に示したような簡単な回路構成で、チップと試料面との電荷量を直接電流に変換させうる長所がある。すなわち、既存のＳＰＭシステムの図１あるいは図２のＳＰＭ装置はカンチレバー以外に光学系と複雑な回路システムが必要であり、全体システムは非常に大きくて、高い製作コストを要するが、これに比べて前記のようなＳＰＭ装置用探針のチップは、図４に示したように簡単な信号増幅器に接続するだけでも試料の物理的状態を十分に感知する機能を有する。これはチップの先に直接電気信号を出力するセンサー（ＦＥＴのチャンネル構造）がついており、このセンサーから出力される電気信号を増幅さえすれば直ちに出力値が分かるからである。また、全体システムが小型化できて、超小型データ貯蔵装置などを作る時に有効な技術になりうる。特にこの装置を用いれば試料に電荷を集める時に、必要な量だけに調節できることも大きい長所である。これがあればハードディスクに情報が消える程度を知らせることも可能である。
【００２０】
図５Ａ及び図５Ｂは、各々実際にシリコンウェーハーで製作中の本発明のＳＰＭ探針のＳＥＭ写真であって、探針の先端部分にトランジスタのチャンネル形成のための構造が製作されている状態を示す。図５Ｃは完成されたチャンネル構造を有するＳＰＭ探針を示す。探針の先端部分にＦＥＴのチャンネル構造を形成させるための製作工程は色々な方法がありえる。例えば、チャンネルが形成される領域に不純物を先ずドーピングした後、その領域を除外した両側斜面にソースとドレーンを形成する不純物をドーピングしたり、あるいはソースとドレーンを形成する不純物をドーピングした後、その中央の尖頭部を蝕刻してチャンネル領域を露出する方法がありえる。
【００２１】
２番目の方法を適用すれば、まず（１００）面シリコンウェーハーを使用して精密に蝕刻して探針構造のチップの先端部分の両側傾斜面に（１１１）面が出るように蝕刻し、この傾斜面にソース及びドレーンが形成されるように第１不純物をドーピングする。この時、（１１１）面と（１１１）面が出合う角は探針を上から見た平面上で９０゜を維持するようにする。以後の蝕刻工程で尖頭部分の（２１１）面を露出して探針を上から見た平面上で１３６゜が維持されるように蝕刻を進行させ、中央尖頭部の第１不純物を除去させれば、第２不純物でドーピングされたチャンネル領域が形成されると同時にソース及びドレーンが確定されることによってＦＥＴのチャンネル構造が完成される。また、この時、ドーピングする第１及び第２不純物をｎ型とするかｐ型とするかで、その種類に応じてＰＮＰ型やＮＰＮ型ＦＥＴに決定される。これは一般のＦＥＴと同じである。図６Ａないし図６Ｃには探針の先に形成されたＭＯＳトランジスタのチャンネルの動作原理を示した。
【００２２】
先ず、図６Ａに示したように、試料３００に電荷の濃度を異にし、その試料３００の上をＦＥＴのチャンネル構造のチップが通るようにすれば、試料３００の表面にトラップされている電荷３０１の濃度によってＭＯＳトランジスタのチャンネル構造に印加される電場の強度が変わる。このような電場の強度変化によってＭＯＳトランジスタのチャンネル構造２１１、２１２、２１３に形成されるチャンネル幅２１２が変わってソース２１１とドレーン２１３との電流量が異になる。図６ＢはＮＰＮ型ＦＥＴのチャンネル構造の動作原理を示し、図６ＣはＰＮＰ型ＦＥＴのチャンネル構造の動作原理を示す。
【００２３】
このように動作するＭＯＳトランジスタのチャンネル構造を装着したカンチレバー探針はＨＤＤの読取り書込み分野や半導体薄膜の表面形状を把握する分野など多様な分野に応用されうる。ＨＤＤの場合、０と１と定義されるＨＤＤの表面にトラップされた電荷を検出することを基本とする。読取り又は書込み時にはＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｍｍｉｓｉｏｎＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の原理を用い、ＨＤＤの表面に集まっているチャージの量によりドレーンからソースを通じて流れる電流の量が変化する。たとえばハードディスクの表面に電荷が集まっていなければ、ＦＥＴでゲート電圧がかからないことと同じ現象であるため、ドレーンからソースに流れる電流は発生しない。もしＨＤＤの表面に電荷が集まっている領域が存在する場合、ＦＥＴのゲート電圧がオンになり、ゲート電圧によりドレーン−ソース間のチャンネルが形成され、電流の流れが発生する。したがって高速で回転するＨＤＤの情報量を非接続モードによるＦＥＴ動作を行なうカンチレバー探針で測定できる。
【００２４】
また、半導体薄膜の表面形態を測定するのに応用される場合もある。すなわち、ＦＥＴのチャンネル構造が内蔵されたカンチレバー探針で試料に印加される電圧を一定に維持しながら、測定しようとする試料とチップの先端部分との距離を変化させながらそれによるＶＤＳ−ＩＤＳの特性を導出すれば、得られた特性から距離によってＦＥＴ型チップの出力特性及び感知特性が変わることが分かる。このように、試料に一定の電圧を印加した状態でカンチレバー探針をスキャニングすれば、試料表面の凹凸によって探針のＦＥＴのチャンネル構造に印加される電場の強度が変わるのでＦＥＴのチャンネルを通じて流れる電流値が変わる。これを用いれば、半導体薄膜の表面形状を拡大して分かる。
【００２５】
＜第１実験例＞
試料のトラップされた電荷の濃度による電流の流れをＦＥＴのチャンネル構造が形成されたチップを使用して測定した。測定しようとする試料とチップの先端部分との距離を一定に維持しながら、試料には一定のゲート電圧を印加した。いろいろなゲート電圧レベルでドレーン−ソース間の電圧（ＶＤＳ）変化によるドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）値を測定した結果を図７に示した。このようなＶＤＳ−ＩＤＳ特性曲線で一番下方の曲線は試料に電圧が印加されていない状態、すなわち、電荷がない状態であり、試料に電圧を−５Ｖ間隔で変化させながら印加した時に、ＦＥＴの特性上、試料上に集まっている電荷の影響でドレーン−ソース間にチャンネルが形成され、ＶＤＳによるＩＤＳの電流値が変化するという特性を示している。
【００２６】
また、図８に示したように、ゲートの電圧変化によるＶＤＳ−ＩＤＳの特性を導出することによって、トラップされた電荷の濃度によるＦＥＴ型チップの出力特性及び感知特性が分かった。すなわち、図８は試料とチップとの距離を一定に維持し、一定のＶＤＳを維持した状態で試料に印加される電圧、すなわち電荷の濃度によるＩＤＳの変化を示したＶＧ−ＩＤＳ曲線である。試料に印加される電圧が増加するほど、すなわち試料にある電荷の濃度が少なくなるほど（０に近くなるほど）ＩＤＳの量が急激に減っている特性を示す。また試料に印加される電圧が小さくなるほど指数関数的に増加する特性を示し、一定の段階で飽和される特性を示している。このような特性を用いてハードディスクに情報を読取り又は書込みできる。
【００２７】
＜第２実験例＞
チップと試料との距離による電流の流れをＦＥＴのチャンネル構造が形成されたカンチレバー探針で測定した。チップと試料との距離を約１ｍに維持した状態でＶＤＳ−ＩＤＳの特性をＶＧ値を変化させながら測定した。その結果は前記実験例で示した図７の通りである。
【００２８】
また、チップと試料との距離を約２ｍに維持した状態で、ＶＤＳ−ＩＤＳの特性をＶＧ値を変化させながら測定したものが図９に示したグラフである。このグラフは図７のグラフと比較した時にノイズの影響をたくさん受けており、全体的な傾向は同一であるが、出力されるＩＤＳの値が非常に減少したことが分かる。このようにチップと試料との距離による出力特性変化と共に、スキャンニングによるＸ、Ｙ座標を用いて測定されたＩＤＳを羅列すれば、３次元の試料表面形態を構成できるのである。本ＦＥＴを装着したチップをＳＰＭ装置に応用する分野は試料の形態を測定する部分である。試料の表面高低によってＭＯＳＦＥＴでのゲートの厚さが変わるのと同じ効果を示す。すなわち、チップと試料との距離によってＩＤＳが変わるために、一定のＶＤＳとＶＧが維持されるならば、試料をスキャニングしながらその試料の表面形態を得られる。前記試料の表面形態はスキャニングによるＸ、Ｙ座標とスキャニング座標でのＩＤＳ値をＺ軸として３次元で得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針は単結晶シリコンウェーハのような半導体基板を蝕刻して形成し、その先のチップ部分の傾斜した蝕刻面にドーピングを行ってソース、チャンネル及びドレーンを形成した構造を有することによって次のような長所を有する。
【００３０】
第１に、測定試料での電荷を読出しうる探針としての役割が可能である。
【００３１】
第２に、電荷量に対して直接電流（電圧）の値に変換可能になって周辺機器の最小化が可能である。これは、即ち超小型及び高性能化が可能になるということを意味する。
【００３２】
第３に、電荷トラップのような技術を使用して前記探針で電荷を集められ、また同時に測定までできる。
【００３３】
第４に、既存のＳＰＭに比べて比較的遠い距離で電荷の測定が可能であり、また近く接近させて測定する場合には感度がすぐれて良くなる。
【００３４】
第５に、チップと試料との距離による電場の強度が変わる事実から試料の３次元表面形態を得る装置に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】既存のＳＰＭ探針を用いたディスク装置の概略的ブロック図。
【図２】既存のＳＰＭ探針を用いた物体の表面形状を判読する装置の概略的ブロック図。
【図３】本発明に係る電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたＳＰＭ探針の概略的構造を示す斜視図。
【図４】図３の電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたＳＰＭ探針より構成されたＳＰＭシステムの概略的構成図。
【図５】図５Ａないし図５Ｃは、単結晶シリコンで実際に製作される図３の電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたＳＰＭ探針の様子を撮ったＳＥＭ写真。
【図６】図６Ａないし図６Ｃには、探針の先に形成されたＭＯＳトランジスタのチャンネルの動作原理を示す図面。
【図７】図５Ａないし図５Ｃの電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたＳＰＭ探針のいろいろなゲート電圧レベルでドレーンソース間の電圧（ＶＤＳ）変化によるドレーンソースの電流（ＩＤＳ）値を測定した結果を示すグラフ。
【図８】図５Ａないし図５Ｃの電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたＳＰＭ探針に試料とチップとの距離を一定に維持し、一定のＶＤＳを維持した状態で試料に印加されるゲート電圧（ＶＧ）によるドレーンソース電流（ＩＤＳ）の変化を示す曲線。
【図９】図５Ａ及び図５Ｂの電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたＳＰＭ探針でチップと試料との距離を約２ｍ程度に維持した状態でＶＤＳ−ＩＤＳの特性をＶＧ値を変化させながら測定したグラフである。
＜符号の説明＞
２００半導体基板
２１０探針
２１１ソース
２１２チャンネル
２１３ドレーン
２２０電極パッド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a probe for a scanning probe microscope (SPM) having a field effect transistor (FET) channel structure formed at the tip of a chip, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Scanning probe microscopes (SPMs) have been developed into various types of microscopes that can measure various physical quantities using a method of scanning a probe.
[0003]
The basic structure of the SPM has a very sharp tip (with a radius of curvature of 10 nm or less), a tip having a tip, a scanner for scanning the tip on a sample, and control and information for controlling these and receiving and processing signals. It consists of a processing system. Although the SPM has evolved in various forms, the principle that the probe operates according to the physical quantity to be measured is slightly different, and the STM (scanning) using the current flowing by the voltage difference between the tip and the sample is used. Tunneling microscope, AFM (Atomic Force Microscope) using force acting between various atoms between the tip and the sample, MFM (Magnetic Force Microscope) using the magnetic field of the sample and the force between the magnetized tip, visible light Such as SNOM (scanning near-field optical microscope) with improved resolution limit depending on the wavelength of light, and EFM (electrostatic force microscope) using electrostatic force between a sample and a chip. Techniques have been developed. There have also been many developments in the type of chip associated with the sample and its precision in fabrication. The properties of materials that can be measured by the SPM developed according to various principles are not limited to the surface shape level of the basic application, but also include a coefficient of friction, thermal conductivity, magnetic domain, and ferroelectric domain. Fine measurement of various physical properties such as electric potential difference, electrochemical property, etc. has become possible.
[0004]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a disk device using an existing SPM probe. The disk device using the SPM probe includes a disk 8 including a large circular substrate, an electrode layer laminated on the substrate, and a ferroelectric layer laminated on the electrode layer; A microchip for reading information while reciprocating in a section corresponding to 1/4 of a light wavelength in a direction perpendicular to the disk surface according to the polarity of the dielectric polarization, and a reflection for reflecting light. A head 9 including a means, and an optical system 100 for detecting the recorded information by recognizing an optical path difference due to reciprocation of the head 9 in the vertical direction.
[0005]
Here, on the disk 8, an electrode layer 8b and a ferroelectric layer 8c on which information is recorded by dielectric polarization are sequentially laminated on a circular substrate 8a. In the head 9 composed of the SPM probe, information is recorded by directly forming dielectric polarization on the ferroelectric layer 8c, and the polarity of this dielectric polarization reduces the optical wavelength to １／ of the optical wavelength in the direction perpendicular to the disk surface. A microchip 9a for reading information while reciprocating in a corresponding section, a reflector 9b for reflecting light, and an arm 9c for supporting the microchip 9a and the reflector 9b are provided. The optical system 100 has a laser diode 1 as a light source, a collimating lens 2 for converting light emitted from the light source 1 into parallel light, and allows the parallel light to pass through as it is to separate reflected light reflected on the disk surface. The apparatus includes a beam splitter 3, an objective lens 5 for focusing parallel light to a track on a disk surface up to a diffraction limit, a focusing lens 6 for focusing reflected light, and a photodetector 7 for converting the focused reflected light into an electric signal. .
[0006]
The operation principle of the disk device having such a configuration is as follows.
When a ferroelectric thin film is deposited on an electrode plate and a microscopic part is polarized by a microtip electrode, a constant voltage is applied to the polarized part and the non-polarized or reversely polarized part. When the microchips are moved, a difference is generated in the electrostatic force between the microchips. Therefore, different electrostatic forces are applied to the microchips having the heads to which a constant voltage is applied according to the polarization amount of the disk surface, and if these electrostatic forces raise or lower the microchips by λ / 4, λ / 2 Only the light having the light path difference of only one is separated from the beam split 3 and detected by the photodetector 7.
[0007]
FIG. 2 is a schematic block diagram of an apparatus for reading a surface shape (TOPOLOGY) of an object using an existing SPM probe. As shown, when the cantilever probe 19 is moved by the x, y, z scanner 22 controlled by the controller 25 while the cantilever probe 19 is vibrated by the piezo element 20, the sharp tip 19a of the cantilever probe 19 is obtained. Scans along the surface shape of the sample 20. Therefore, the body of the cantilever probe 19 reflects the laser beam emitted from the laser light source 23 to the photodetector 24 while moving up and down according to the surface shape of the sample. The surface shape of the test target is reproduced on the display 27 by detecting the amount of the reflected light as an electrical signal.
[0008]
As can be seen from the above examples, the SPM technique of measuring the phenomenon acting between the probe and the sample using a physical instrument and a laser has a very small distance between the tip of the probe tip and the sample. It must be close and the tip of the chip must be very sharp. Such a technique has many difficulties in control, for example, depending on the flatness of the substrate. Also, since the size of the entire system is large, it is a decisive problem when manufacturing a microminiature hard disk or the like.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is to improve the above-mentioned problems of the conventional technology, and the simple structure and the peripheral device act between the tip of the probe and the sample. It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope probe in which a channel of a field effect transistor capable of easily detecting a force to be applied is formed.
[0010]
Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing the scanning probe microscope probe.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above technical object, the present invention provides a rod-shaped probe formed of a semiconductor and a channel region formed by doping a first impurity on a central slope of a V-shaped tip at a tip portion of the probe. And a source and a drain formed by doping a second impurity on both side slopes of the V-shaped tip at the tip of the probe with the channel region as a center. A scanning probe microscope tip is provided.
[0012]
According to another aspect of the present invention, a tip is formed by etching a single crystal semiconductor substrate along a crystal plane, and a center point of a V-shaped tip at the tip of the probe is provided. Doping a channel region by doping a first impurity on an inclined surface including a head portion, and forming a source and a drain by doping a second impurity on both side inclined surfaces of a V-shaped tip at a tip portion of the probe. And a method of manufacturing a probe of a scanning probe microscope in which a channel of a field effect transistor is formed.
[0013]
In the present invention, in the step (1), the single crystal semiconductor substrate is a single crystal silicon substrate having a (100) plane, and both side slopes on which the source and the drain are formed are (111) planes. It is desirable to etch the surface.
[0014]
According to the present invention, in order to achieve the other technical problems, (1) a rod-shaped probe is formed by etching a (100) plane single crystal semiconductor substrate along a crystal plane. Forming a V-shaped portion having a first angle in a plan view and simultaneously etching both sides of the V-shaped portion to have a (111) surface; and (2) a V-shaped portion at the tip of the probe. Forming source and drain regions by doping first impurities on both side inclined surfaces of the chip; and (3) forming a central point of the inclined surfaces on which the source and drain regions doped with the first impurity are formed. A channel doped with a second impurity at the tip so that the first impurity is removed by etching only the tip of the inclined surface so as to form a second angle larger than the first angle. Forming a step of forming It provides a method of making a probe of a scanning probe microscope which channel is formed of a field effect transistor.
[0015]
In the present invention, it is preferable that the first angle is 90 ° and the second angle is 136 °.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a probe of a scanning probe microscope having a channel of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0017]
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic structure of an SPM probe in which a channel of a field effect transistor according to the present invention is formed. As illustrated, the semiconductor substrate 200 is etched to form a probe 210 structure, and the etched surface is doped to form a source 211, a channel 212, and a drain 213. In the drawing, reference numeral 220 denotes an electrode pad connected to the source 220 and the drain 213, respectively.
[0018]
As described above, if the channel structure of the FET in which the distance between the source 211 and the drain 213 is adjusted is formed at the tip of the tip of the probe 210, the channel of the transistor at the tip of such a tip is distributed on the sample. It can also be used as a device for collecting charges, which can detect a large number of regions having different charge densities. A sample in which electric charges are collected in a minute area can be used for a storage device. In addition, the degree to which charges are collected on a specific sample can be measured.
[0019]
Such a structure in which the channel of the FET is formed at the tip of the chip is based on the principle of a MOS transistor which responds sensitively to the voltage or charge applied to the gate, and has a simple structure as shown in FIG. The circuit configuration has the advantage that the amount of charge between the chip and the sample surface can be directly converted to current. That is, the existing SPM system shown in FIG. 1 or FIG. 2 requires an optical system and a complicated circuit system in addition to the cantilever, and the entire system is very large and requires high manufacturing costs. The tip of the probe for an SPM device as described above has a function of sufficiently sensing the physical state of the sample by simply connecting it to a simple signal amplifier as shown in FIG. This is because a sensor (a channel structure of FET) for directly outputting an electric signal is provided at the tip of the chip, and the output value can be immediately obtained by amplifying the electric signal output from the sensor. In addition, the entire system can be downsized, which can be an effective technique for manufacturing a very small data storage device. In particular, when this device is used, when collecting charges on a sample, it is a great advantage that the amount can be adjusted only to a necessary amount. With this, it is also possible to inform the hard disk of the extent to which information is lost.
[0020]
5A and 5B are SEM photographs of an SPM probe of the present invention actually manufactured on a silicon wafer, showing a state in which a structure for forming a channel of a transistor is manufactured at the tip of the probe. Show. FIG. 5C shows an SPM probe having a completed channel structure. There are various manufacturing processes for forming the channel structure of the FET at the tip of the probe. For example, after first doping an impurity into a region where a channel is formed, and then doping impurities forming a source and a drain on both side slopes excluding the region, or doping an impurity forming a source and a drain, There may be a method of etching the central point to expose the channel region.
[0021]
If the second method is applied, first, a (100) plane silicon wafer is precisely etched and etched so that a (111) plane appears on both side inclined surfaces of a tip portion of a tip having a probe structure. A first impurity is doped to form a source and a drain on the inclined surface. At this time, the angle at which the (111) plane meets the (111) plane is maintained at 90 ° on a plane viewed from above the probe. In the subsequent etching process, the (211) surface of the pointed portion is exposed, and the probe is etched so as to maintain 136 ° on a plane viewed from above, thereby removing the first impurity at the central pointed portion. Then, the channel region doped with the second impurity is formed, and at the same time, the source and the drain are determined, thereby completing the channel structure of the FET. At this time, whether the first and second impurities to be doped are n-type or p-type is determined as a PNP type or an NPN type FET depending on the type. This is the same as a general FET. 6A to 6C show the operation principle of the channel of the MOS transistor formed at the tip of the probe.
[0022]
First, as shown in FIG. 6A, if the charge concentration of the sample 300 is made different and the chip having the channel structure of the FET passes over the sample 300, the charges 301 trapped on the surface of the sample 300. Varies the intensity of the electric field applied to the channel structure of the MOS transistor. Due to such a change in the intensity of the electric field, the channel width 212 formed in the channel structures 211, 212, and 213 of the MOS transistor changes, and the current amount between the source 211 and the drain 213 differs. FIG. 6B shows the operation principle of the channel structure of the NPN-type FET, and FIG. 6C shows the operation principle of the channel structure of the PNP-type FET.
[0023]
The cantilever probe equipped with the channel structure of the MOS transistor operating as described above can be applied to various fields such as a field of reading and writing of an HDD and a field of grasping a surface shape of a semiconductor thin film. In the case of an HDD, it is basically to detect charges trapped on the surface of the HDD defined as 0 and 1. At the time of reading or writing, the amount of current flowing from the drain through the source changes depending on the amount of charge collected on the surface of the HDD using the principle of a field emission transistor (FET). For example, if no electric charge is collected on the surface of the hard disk, the same phenomenon occurs as when a gate voltage is not applied to the FET, so that no current flows from the drain to the source. If there is a region where charges are collected on the surface of the HDD, the gate voltage of the FET is turned on, a channel between the drain and the source is formed by the gate voltage, and a current flows. Therefore, the information amount of the HDD rotating at a high speed can be measured by the cantilever probe performing the FET operation in the non-connection mode.
[0024]
Further, it may be applied to measure the surface morphology of a semiconductor thin film. That is, while maintaining a constant voltage applied to the sample with a cantilever probe having a built-in FET channel structure, while changing the distance between the sample to be measured and the tip of the chip, the VDS-IDS If the characteristics are derived, it can be seen from the obtained characteristics that the output characteristics and the sensing characteristics of the FET chip change depending on the distance. As described above, if the cantilever probe is scanned with a constant voltage applied to the sample, the intensity of the electric field applied to the channel structure of the FET of the probe changes due to the unevenness of the sample surface. The value changes. If this is used, it can be understood by enlarging the surface shape of the semiconductor thin film.
[0025]
<First experimental example>
The current flow according to the concentration of the trapped charge of the sample was measured using a chip having a channel structure of an FET. A constant gate voltage was applied to the sample while maintaining a constant distance between the sample to be measured and the tip of the chip. FIG. 7 shows the results of measuring drain-source current (IDS) values according to changes in drain-source voltage (VDS) at various gate voltage levels. The lowermost curve in the VDS-IDS characteristic curve is a state where no voltage is applied to the sample, that is, a state where there is no charge. When a voltage is applied to the sample while changing it at −5 V intervals, the FET In the above characteristics, a channel is formed between the drain and the source due to the influence of the electric charge collected on the sample, and the current value of the IDS by the VDS changes.
[0026]
Further, as shown in FIG. 8, the output characteristics and the sensing characteristics of the FET chip according to the concentration of trapped charges were found by deriving the characteristics of the VDS-IDS according to the gate voltage change. That is, FIG. 8 is a VG-IDS curve showing a change in IDS depending on a voltage applied to the sample while maintaining a constant distance between the sample and the chip and a constant VDS, that is, a charge concentration. As the voltage applied to the sample increases, that is, as the concentration of the charge in the sample decreases (closer to zero), the amount of the IDS sharply decreases. Further, the characteristic shows that the voltage applied to the sample decreases exponentially as the voltage applied to the sample decreases, and the characteristic shows that the characteristic is saturated at a certain stage. Information can be read from or written to the hard disk using such characteristics.
[0027]
<Second experimental example>
The current flow depending on the distance between the chip and the sample was measured with a cantilever probe having a channel structure of an FET. With the distance between the chip and the sample kept at about 1 m, the characteristics of VDS-IDS were measured while changing the VG value. The result is as shown in FIG. 7 shown in the experimental example.
[0028]
FIG. 9 is a graph showing the characteristics of the VDS-IDS measured while changing the VG value while maintaining the distance between the chip and the sample at about 2 m. This graph is much affected by noise when compared with the graph of FIG. 7, and the overall tendency is the same, but it can be seen that the value of the output IDS is greatly reduced. By listing the IDS measured using the X and Y coordinates by scanning together with the output characteristic change due to the distance between the chip and the sample, a three-dimensional sample surface configuration can be configured. The field of application of the chip mounted with the present FET to an SPM device is a part for measuring the form of a sample. This has the same effect as changing the gate thickness in the MOSFET depending on the surface height of the sample. That is, since the IDS changes depending on the distance between the chip and the sample, if a constant VDS and VG are maintained, the surface morphology of the sample can be obtained while scanning the sample. The surface morphology of the sample can be obtained in three dimensions by using the X and Y coordinates by scanning and the IDS value at the scanning coordinates as the Z axis.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, the probe of the scanning probe microscope in which the channel structure of the field effect transistor according to the present invention is formed is formed by etching a semiconductor substrate such as a single crystal silicon wafer, and the tip portion of the tip is formed. By having a structure in which a source, a channel and a drain are formed by doping an inclined etching surface, the following advantages can be obtained.
[0030]
First, it can serve as a probe that can read out the charge on the measurement sample.
[0031]
Second, it is possible to directly convert a charge amount into a current (voltage) value, thereby minimizing peripheral devices. This means that microminiaturization and high performance can be achieved.
[0032]
Third, charges can be collected at the probe using techniques such as charge trapping, and can even be measured at the same time.
[0033]
Fourth, the charge can be measured at a relatively long distance as compared with the existing SPM, and when the measurement is performed in close proximity, the sensitivity is excellent and improved.
[0034]
Fifth, the present invention can be applied to an apparatus for obtaining a three-dimensional surface morphology of a sample based on the fact that the electric field intensity changes depending on the distance between the chip and the sample.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a disk device using an existing SPM probe.
FIG. 2 is a schematic block diagram of an apparatus for reading a surface shape of an object using an existing SPM probe.
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic structure of an SPM probe in which a channel of a field effect transistor according to the present invention is formed.
4 is a schematic configuration diagram of an SPM system including an SPM probe in which a channel of the field-effect transistor of FIG. 3 is formed.
FIGS. 5A to 5C are SEM photographs of an SPM probe having a channel of the field-effect transistor of FIG. 3 actually manufactured using single crystal silicon.
FIGS. 6A to 6C are diagrams illustrating an operation principle of a channel of a MOS transistor formed at the tip of a probe.
FIG. 7 shows the drain-source current (IDS) value of the SPM probe in which the channel of the field-effect transistor of FIGS. 5A to 5C is formed at various gate voltage levels according to a change in the drain-source voltage (VDS). Graph showing the results.
FIG. 8 shows a gate voltage applied to the sample while maintaining a constant distance between the sample and the tip of the SPM probe having the channel of the field-effect transistor of FIGS. 5A to 5C and maintaining a constant VDS. 5 is a curve showing a change in drain source current (IDS) due to (VG).
FIG. 9 shows the characteristics of VDS-IDS while changing the VG value while maintaining the distance between the chip and the sample at about 2 m with the SPM probe having the channel of the field effect transistor of FIGS. 5A and 5B. It is a measured graph.
<Explanation of reference numerals>
200 semiconductor substrate 210 probe 211 source 212 channel 213 drain 220 electrode pad

Claims

チップと、
前記チップの中央斜面に第１不純物がドーピングされて形成されたチャンネル領域と、
前記チャンネル領域を中心として前記チップの両側斜面に第２不純物がドーピングされて形成されたソース及びドレーンとを具備したことを特徴とする電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針。Chips and
A channel region formed by doping a first impurity on a central slope of the chip;
A scanning probe microscope having a channel structure of a field effect transistor, comprising a source and a drain formed by doping a second impurity on both sides of the chip with the channel region as a center. needle.

前記チップは（１００）面を有する単結晶シリコン基板を用いて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針。2. The probe of claim 1, wherein the tip is formed using a single crystal silicon substrate having a (100) plane.

前記第１不純物はｎ型不純物であり、第２不純物はｐ型不純物であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針。The probe of claim 1, wherein the first impurity is an n-type impurity and the second impurity is a p-type impurity.

前記第１不純物はｐ型不純物であり、第２不純物はｎ型不純物であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針。2. The probe of claim 1, wherein the first impurity is a p-type impurity, and the second impurity is an n-type impurity.

（１）単結晶半導体基板を結晶面に沿って蝕刻してチップを形成する段階と、
（２）前記チップの中央傾斜面に第１不純物をドーピングしてチャンネル領域を形成する段階と、
（３）前記チップの両側斜面に第２不純物をドーピングしてソース及びドレーンを形成する段階とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。(1) etching a single crystal semiconductor substrate along a crystal plane to form a chip;
(2) forming a channel region by doping a first impurity on a central inclined surface of the chip;
(3) forming a source and a drain by doping a second impurity on both side slopes of the chip to form a source and a drain of the field effect transistor. .

前記（１）に記載の段階で単結晶半導体基板は（１００）面を有する単結晶シリコン基板を使用し、前記ソース及びドレーンが形成される両側斜面が（１１１）面になるように蝕刻することを特徴とする請求項５に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。In the step (1), the single crystal semiconductor substrate is a single crystal silicon substrate having a (100) plane, and is etched such that both side slopes on which the source and the drain are formed are (111) planes. A method of manufacturing a probe of a scanning probe microscope having a channel structure of a field-effect transistor according to claim 5.

前記第１不純物はｎ型不純物であり、第２不純物はｐ型不純物であることを特徴とする請求項５に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。6. The probe of claim 5, wherein the first impurity is an n-type impurity and the second impurity is a p-type impurity. Method.

前記第１不純物はｐ型不純物であり、第２不純物はｎ型不純物であることを特徴とする請求項５に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。6. The probe of claim 5, wherein the first impurity is a p-type impurity and the second impurity is an n-type impurity. Method.

（１）（１００）面単結晶半導体基板を結晶面に沿って蝕刻して棒状の探針を形成するが、その先のチップ部分が平面的に第１の角度を有するＶ状をなさせると同時に前記Ｖ状の両側面が（１１１）面を有するように蝕刻する段階と、
（２）前記探針の先端部分のＶ状チップの両側傾斜面に第１不純物をドーピングしてソース及びドレーン領域を形成する段階と、
（３）前記第１不純物がドーピングされたソース及びドレーン領域が形成された傾斜面の中央尖頭部を前記第１の角度より大きい第２の角度をなすように前記傾斜面の尖頭部だけを蝕刻して第１不純物が除去されるようにして前記尖頭部に第２不純物がドーピングされたチャンネルを形成する段階とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタのチャンネルが形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。(1) A (100) -plane single crystal semiconductor substrate is etched along a crystal plane to form a rod-shaped probe, and when the tip portion therefrom is planarly formed into a V shape having a first angle. Etching at the same time so that both sides of the V-shape have a (111) plane;
(2) forming a source and drain region by doping first inclined surfaces on both sides of the V-shaped tip at the tip of the probe;
(3) The central point of the inclined surface on which the source and drain regions doped with the first impurity are formed is formed only by the point of the inclined surface so as to form a second angle larger than the first angle. Forming a channel doped with a second impurity at the point of the tip so as to remove the first impurity by etching the channel. How to make a microscope probe.

前記第１の角度は９０゜であり、前記第２の角度は１３６゜であることを特徴とする請求項９に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。The probe of the scanning probe microscope having a field effect transistor channel structure according to claim 9, wherein the first angle is 90 ° and the second angle is 136 °. Production method.

前記第１不純物はｎ型不純物であり、第２不純物はｐ型不純物であることを特徴とする請求項９に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。10. The probe of claim 9, wherein the first impurity is an n-type impurity and the second impurity is a p-type impurity. Method.

前記第１不純物はｐ型不純物であり、第２不純物はｎ型不純物であることを特徴とする請求項９に記載の電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針の製作方法。10. The method of claim 9, wherein the first impurity is a p-type impurity and the second impurity is an n-type impurity. Method.