JP4216836B2 - 抵抗性チップを備える半導体探針及びその製造方法 - Google Patents

抵抗性チップを備える半導体探針及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、抵抗性チップを備える半導体探針及びその製造方法に係り、より詳細には、半四角錐状の抵抗性チップを備える半導体探針及びその製造方法に関する。
現在、携帯用通信端末機、電子手帳などの小型製品に対する需要が増加するにつれ、超小型の高集積不揮発性記録媒体の必要性が増えている。既存のハードディスクは、小型化が容易でなく、フラッシュメモリは高集積度を達成し難いため、その代案として走査探針を利用した情報保存装置が研究されている。
探針は、多様なＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）技術に利用される。例えば、探針と試料との間に印加される電圧差によって、流れる電流を検出して情報を再生する走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）、探針と試料との間の原子的な力を利用する原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）、試料の磁場と磁化された探針との間の力を利用する磁気力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＭＦＭ）、可視光線の波長による解像度限界を改善した近接場走査型光学顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＮＯＭ）、試料と探針との間の静電気を利用した静電気顕微鏡（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＥＦＭ）などに利用される。
このようなＳＰＭ技術を利用して情報を高速高密度で記録及び再生するためには、数十ｎｍの直径の小さな領域に存在する表面電荷を検出し、記録及び再生速度を向上させるためにカンチレバーをアレイ状に製作しなければならない。
図１は、特許文献１に開示された半導体探針を概略的に示す図面である。
半導体探針は、カンチレバー１０と、カンチレバー１０の一端部に形成されたチップ１２とを備える。チップ１２は、抵抗性領域と、抵抗性領域の両側に形成された電極領域とを備える。一般的に、探針を利用して基板の物理量を測定する場合、カンチレバー１０は、約１５°の角度で傾いて探針をする。カンチレバー１０と探針を接触させる基板１４との傾斜角をθ、チップの高さをＨ、そして、チップの先端とカンチレバー１０の端１１までの距離をＤとするとき、カンチレバー１０の端１１と探針が接触した基板１４との間隔Ｇは図１から幾何学的に計算されて、次の式（１）で表現される。
Ｇ＝Ｈ×ｃｏｓθ−Ｄ×ｓｉｎθ・・・（１）
抵抗性チップを利用して基板の情報を測定する場合、抵抗性チップの高さが低いとき、次のような長所がある。第一に、電極領域の抵抗が低くなって、シリーズ抵抗が低下し、感度が上昇する。第二に、電極領域の抵抗が低下するために、２次イオン注入工程を省略できる。しかし、既存の探針工程では、チップ（抵抗性チップ）１２とカンチレバーマスクとの整列工程マージンを考慮したカンチレバー１０の端１１とチップ（抵抗性チップ）１２の端との間隔Ｄが存在するため、チップ（抵抗性チップ）１２の高さを低くする場合、カンチレバー１０の端１１が基板１４と非常に近接し、結局、チップ（抵抗性チップ）１２よりカンチレバー１０の端１１が先に基板１４に接するという問題が発生する。例えば、チップ（抵抗性チップ）１２とカンチレバー１０の端１１との整列マージンを１μｍと考慮する場合、チップ１２（抵抗性チップ）の高さＨが５４０ｎｍ以下になれば、カンチレバー１０の端１１が基板１４０に接する。
国際特許公開第０３／０９６４０９号パンフレット
本発明が達成しようとする技術的課題は、前記した従来技術の問題点を改善するためのものであって、抵抗性チップが整列マージンなしにカンチレバーの端に形成された半導体探針及びその製造方法を提供するところにある。
前記の目的を達成するために、本発明の抵抗性チップを備える半導体探針は、第１不純物でドーピングされた半四角錐状のチップと、前記チップが自由端部上に位置するカンチレバーと、前記チップの先端部で、前記第１不純物と極性の異なる第２不純物を低濃度でドーピングされた抵抗領域と、前記チップの傾斜面に前記第２不純物が高濃度でドーピングされ、互いに離れて形成され、前記抵抗領域と電気的に連結された第１電極半導体領域及び第２電極半導体領域と、を備えることを特徴とする。
前記チップの垂直面は、前記カンチレバーの前記自由端部の面と一致するように形成される。
前記の他の目的を達成するために、本発明の抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法は、第１不純物をドーピングした基板の上面にストライプ状のマスク膜を形成し、前記マスク膜をマスクとして前記基板の領域に、前記第１不純物と異なる極性の第２不純物を高濃度でドーピングして、第１電極半導体領域及び第２電極半導体領域を形成する第１ステップと、前記基板を熱処理して、前記第１電極半導体領域と前記第２電極半導体領域との距離を狭め、前記第１電極半導体領域及び前記第２電極半導体領域の周辺に前記第２不純物が低濃度でドーピングされた抵抗領域を形成する第２ステップと、前記マスク膜と直交する方向にストライプ状の第１感光剤を形成し、エッチング工程を行って前記マスク膜を四角形に形成する第３ステップと、前記基板上に、前記第１感光剤の一部を覆ってカンチレバー領域を限定する第２感光剤を形成する第４ステップと、前記第１感光剤及び前記第２感光剤をマスクとして領域をエッチングして前記カンチレバー領域を形成する第５ステップと、前記第１感光剤及び前記第２感光剤を除去し、前記マスク膜をマスクとして基板をエッチングして半四角錐状の抵抗性チップを形成する第６ステップと、を含むことを特徴とする抵抗性チップを備えることを特徴とする。
本発明の一形態によれば、前記第２ステップは、前記第１電極半導体領域及び第２電極半導体領域で広がった抵抗領域が、互いに接触して先端形成部を形成するステップと、を更に含むことが好ましい。
また、前記第４ステップは、前記第１感光剤を覆うように前記第２感光剤を塗布した後にパターニングし、パターニングされた第２感光剤を前記マスク膜上の第１感光剤の一部上に配置させることが好ましい。
本発明の他の形態によれば、前記第６ステップは、前記パターニングされたマスク膜を除去した基板を酸素雰囲気で熱処理して、前記基板の表面に所定厚さの酸化膜を形成するステップと、前記酸化膜を除去して、前記抵抗性領域の端を尖らすステップと、を更に含むことが好ましい。
本発明に係る抵抗性チップを備える半導体探針によれば、カンチレバーの端とチップの断面とが一致するように形成されており、第一に、カンチレバーの端が基板の情報に反応して発生する信号ノイズを減らし、第二に、チップの高さを低くすることができるため、シリーズ抵抗を低下させ、２次インプランテーション工程を省略できる。
また、本発明に係る抵抗性チップを備える導体探針の製造方法によれば、前記した自己整列によって電極半導体領域間に存在する抵抗領域をチップの端の中央に形成させ、熱拡散工程で低濃度の不純物領域である抵抗領域を形成できるため、製作工程を単純化できる。
また、チップを形成するためのマスク幅の感光剤上に、カンチレバーの形成のための感光剤をパターニングすればよいため、整列マージンがなくても容易に抵抗性チップを製造できる。したがって、抵抗性チップを備える半導体探針の製造歩留りを向上させることが可能である。
このような製造方法で、探針のカンチレバーの末端部に垂直に形成されるチップに、狭い幅の抵抗領域を具現することで、記録媒体上に小さな領域に存在する少量の表面電荷を感知できる走査探針技術を利用して情報保存装置の製作が容易となる。
また、このように製作された探針を、走査探針技術を応用した大容量、超小型の情報保存装置に利用する場合、小さな領域に存在する電荷を検出し、小さな領域に電荷を形成できるため、情報を記録及び再生できる装置として利用できる。
以下、添付された図面を参照して、本実施形態に係る抵抗性チップを備える半導体探針及びその製造方法を詳細に説明する。この過程で、図面に示す層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示したものである。
図２は、本実施形態に係る半導体探針の構造を示す斜視図である。
図２に示しように、シリコン基板３１の上部に絶縁層４４が積層されており、絶縁層４４の上面には電極４６が形成されている。シリコン基板３１の表面のシリコン層から延びてカンチレバー４１が形成されており、カンチレバー４１の自由端の上面に、垂直方向に半四角錐状の抵抗性チップ３０が形成されている。抵抗性チップ３０の傾斜面には、第２不純物が高濃度でドーピングされた第１電極半導体領域３２及び第２電極半導体領域３４が形成されており、抵抗性チップ３０の先端部には、第２不純物が低濃度でドーピングされた抵抗領域３６が位置している。抵抗性チップ３０の垂直面は、カンチレバー４１の自由端部の面と一致するように形成されている。第１電極半導体領域３２及び第２電極半導体領域３４は、抵抗領域３６と電気的に連結されており、カンチレバー４１を介して電極４６と連結される。抵抗性チップ３０は、カンチレバー４１上で整列マージンなしに形成されている。すなわち、抵抗性チップ３０の下面は、カンチレバー４１の自由端と一致するように形成されている。
図３は、本実施形態に係る半導体探針を概略的に示す図面である。
図３に示すように、本実施形態に係る探針は、カンチレバー２０と、カンチレバー２０の一端に形成された半四角錐状のチップ２２とを備える。カンチレバー２０には、従来の製造工程上の誤差を鑑みた整列マージン（図１のＤ）が‘０’であるため、カンチレバー２０の端が探針対象物２４に接しない。したがって、抵抗性チップ２２の製造において、高さＨの制限がない。
図４Ａないし図４Ｉは、本実施形態に係る半導体探針の製造過程を順次に示す斜視図である。
まず、図４Ａに示すように、第１不純物でドーピングされたシリコン基板３１の表面に、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などのマスク膜３３を形成し、マスク膜３３上に感光剤３５を塗布する。ここで、シリコン基板３１の替わりにＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いてもよい。
次に、ストライプ状のマスク３８を感光剤３５の上方に配置する。
次に、マスク３８を使用して感光剤３５を露光、写真（フォトレジスト）及びエッチング工程を行ってパターニングする。写真及びエッチング工程を通じて、図４Ｂに示すように、ストライプ状のマスク膜３３ａを基板３１の上部に形成する。
次に、マスク膜３３ａを除いた領域を第２不純物で高濃度ドーピングして、シリコン基板３１に第１電極半導体領域３２及び第２電極半導体領域３４を形成する。第１電極半導体領域３２及び第２電極半導体領域３４は、電気抵抗値が非常に低くなるように形成されているので導電体として作用する。
次に、熱処理工程を行って、第１電極半導体領域３２と第２電極半導体領域３４との間の幅をマスク膜３３ａの幅より狭める。図４Ｃに示すように、第２不純物の高濃度領域である第１電極半導体領域３２と第２電極半導体領域３４が拡大すれば、第１電極半導体領域３２と第２電極半導体領域３４とが隣接した領域に第２不純物が広がって、第２不純物の低濃度領域、すなわち、抵抗領域３６が形成される。マスク膜３３ａの下部の抵抗領域３６は互いに接触して、後述する抵抗性チップの先端形成部を形成する。先端形成部を形成する工程は、後述する熱酸化工程で行われてもよい。
次に、図４Ｄに示すように、シリコン基板３１の上面にマスク膜３３ａを覆うように感光剤３７を塗布した後、その上方にマスク膜３３ａと直交するようにストライプ状のフォトマスク４０を配置する。次に、露光、写真及びエッチング工程を実施すれば、図４Ｅに示すように、フォトマスク４０と同じ形状の感光剤３７ａが形成される（感光剤からなる層３７ａが形成される。）。
次に、図４Ｆに示すように、ストライプ状の感光剤３７ａにより覆われていないマスク膜３３ａをドライエッチングして、四角形のマスク膜３３ｂを形成する。
次に、図４Ｇに示しように、シリコン基板３１上で、感光剤３７ａを覆う感光剤４２を形成する（感光剤からなる層４２を形成する。）。このとき、感光剤３７ａをベーキングした後に感光剤４２を塗布するか、または感光剤３７ａと選択的にパターニングされる感光剤４２を選択してもよい。感光剤３７ａ上に感光剤４２をパターニングする過程は、感光剤４２が感光剤３７ａと重なればよい、別途の整列マージンを必要としない。
次に、図４Ｈに示すように、感光剤４２を選択的にパターニングすれば、感光剤３７ａの一部分、例えば、半分を覆う感光剤４２ａが形成される。この過程は、カンチレバー領域を限定するためである。以下、図４Ｈないし図４Ｋでは、便宜上、カンチレバーの一部領域のみを図示する。
次に、感光剤３７ａ、４２ａをマスクとしてドライエッチングして、カンチレバー以外の領域をエッチングする。図４Ｉは、エッチングされた結果物を示す。
次に、図４Ｊに示すように、感光剤３７ａ、４２ａを除去した後、四角形のマスク膜３３ｂをマスクとして基板３１をウエットエッチングまたはドライエッチングする。
図４Ｋに示すように、半四角錐状のチップ３０の傾斜面に第１電極半導体領域３２及び第２電極半導体領域３４が位置し、抵抗領域３６を、抵抗性チップ３０の先端部に整列される。
次に、マスク膜３３ｂを除去した後、シリコン基板３１を酸素雰囲気で加熱すれば、シリコン基板３１の表面に所定の厚さのシリコン酸化膜（図示せず）が形成され、この酸化膜を除去すれば、抵抗領域３６の端が尖る。このような熱酸化工程を行えば、抵抗性チップ３０のシャープニングと共に隔離された抵抗領域３６を重ねて先端形成部を形成することも可能である。
次に、シリコン基板３１の下面をエッチングすれば、シリコン基板３１から延びたカンチレバー４１が形成され、カンチレバー４１の一端部面と抵抗性チップ３０の垂直面とが一致する。
次に、公知の半導体工程で第１電極半導体領域３２及び第２電極半導体領域３４の端に絶縁層４４及び電極４６を順次に積層及びパターニングして、図４Ｌに示すような半導体探針を完成する。
本実施形態に係る半導体探針の製造方法では、抵抗性チップ３０の製作前に第１電極半導体領域３２及び第２電極半導体領域３４を形成するイオン注入工程を行って、微細な写真及びエッチング工程を行い、熱拡散工程で抵抗領域３６を容易に形成できる。
また、四角形のマスク膜３３ｂ上に感光剤４２をパターニングすれば、自己整列された抵抗性チップ３０を製造できるため、マスク膜３３ｂの幅に該当される整列マージン、例えば、１μｍ以上のマージンを確保でき、抵抗性チップ３０を備える半導体探針の製造が容易になる。
また、カンチレバーの端と整列された半四角錐状の抵抗性チップ３０を適用することによって、抵抗性チップ３０の高さを低くしてもカンチレバーの端がシリコン基板３１に近接する現象が発生しないため、信号ノイズを減らし、データの記録／再生の解像度も向上させることが可能となる。
図５は、本実施形態に係る抵抗性チップを備える半導体探針のチップ部分のみを簡略に示す図面である。
図５に示すように、半導体探針の抵抗性チップ５０は、第１不純物がドーピングされた抵抗性チップ５０の本体５８と、抵抗性チップ５０の先端部に位置し、第２不純物が低濃度でドーピングされて形成された抵抗領域５６と、抵抗領域５６を挟んで抵抗性チップ５０の傾斜面に位置し、第２不純物が高濃度でドーピングされた第１電極半導体領域５２及び第２電極半導体領域５４とを備える。ここで、第１不純物がｐ型不純物である場合、第２不純物はｎ型不純物であり、第１不純物がｎ型不純物である場合、第２不純物はｐ型不純物である。
記録媒体５３の表面電荷５７の電荷量の差は、発生する電界の大きさの差を誘発し、電界の大きさの差は、抵抗領域５６の抵抗値差を誘発するが、この抵抗値の変化から表面電荷５７の極性と量とを検出できる。
図６は、図５に示す半導体探針の抵抗性チップの末端部を拡大した図面である。
抵抗性チップ５０は、空乏領域６８が第１電極半導体領域５２、第２電極半導体領域５４まで拡張しなくても、不導体である空乏領域６８により抵抗領域５６の面積が縮小することにより、抵抗領域５６の抵抗値の変化が発生して、表面電荷５７の極性と量とを検出できる。半導体探針５０は、従来のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップに比べて、表面電荷を感知できる臨界電界値を低くすることができ、抵抗性チップ５０の感度が更に向上することができる。
抵抗領域５６の内部に形成される空乏領域６８が、表面電荷５７が発生させる電界により次第に第１電極半導体領域５２及び第２電極半導体領域５４の方向に拡張していることが分かる。
本発明は、図面を参照して実施形態を参考に説明されたが、それは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、それから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。
本発明は、半導体探針に関連した技術分野に好適に適用することが可能である。
特許文献１に開示された半導体探針を概略的に示す図面である。 本実施形態に係る半導体探針の構造を示す斜視図である。 本実施形態に係る半導体探針を概略的に示す図面である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る探針の製造方法を概略的に示す斜視図である。 本実施形態に係る抵抗性チップを備える半導体探針の作用を説明する図面である。 図５に示す半導体探針の抵抗性チップの末端部を拡大した図面である。
符号の説明
３０ 抵抗性チップ
３１ シリコン基板
３２ 第１電極半導体領域
３４ 第２電極半導体領域
３６ 抵抗領域
４１ カンチレバー
４４ 絶縁層
４６ 電極

Claims (11)

  1. 第１不純物でドーピングされた半四角錐状のチップと、
    前記チップが自由端部上に位置するカンチレバーと、
    前記チップの先端部で、前記第１不純物と極性の異なる第２不純物を低濃度でドーピングされた抵抗領域と、
    前記チップの傾斜面に前記第２不純物が高濃度でドーピングされ、互いに離れて形成され、前記抵抗領域と電気的に連結された第１電極半導体領域及び第２電極半導体領域と、
    を備えることを特徴とする半導体探針。
  2. 前記チップの垂直面は、前記カンチレバーの自由端部の面と一致するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針。
  3. 前記第１不純物は、ｐ型不純物であり、前記第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に記載の半導体探針。
  4. 前記第１不純物は、ｎ型不純物であり、前記第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に記載の半導体探針。
  5. 第１不純物をドーピングした基板の上面にストライプ状のマスク膜を形成し、前記マスク膜をマスクとして前記基板の領域に、前記第１不純物と異なる極性の第２不純物を高濃度でドーピングして、第１電極半導体領域及び第２電極半導体領域を形成する第１ステップと、
    前記基板を熱処理して、前記第１電極半導体領域と前記第２電極半導体領域との距離を狭め、前記第１電極半導体領域及び前記第２電極半導体領域の周辺に前記第２不純物が低濃度でドーピングされた抵抗領域を形成する第２ステップと、
    前記マスク膜と直交する方向にストライプ状の第１感光剤を形成し、エッチング工程を行って前記マスク膜を四角形に形成する第３ステップと、
    前記基板上に、前記第１感光剤の一部を覆ってカンチレバー領域を限定する第２感光剤を形成する第４ステップと、
    前記第１感光剤及び前記第２感光剤をマスクとして前記カンチレバーの領域外をエッチングして前記カンチレバー領域を形成する第５ステップと、
    前記第１感光剤及び前記第２感光剤を除去し、前記マスク膜をマスクとして基板をエッチングして半四角錐状の抵抗性チップを形成する第６ステップと、
    を含むことを特徴とする抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法。
  6. 前記第２ステップは、
    前記第１電極半導体領域及び前記第２電極半導体領域に広がった抵抗領域が互いに接触して先端形成部を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項５に記載の抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法。
  7. 前記第４ステップは、前記第１感光剤を覆うように前記第２感光剤を塗布した後にパターニングし、パターニングされた第２感光剤を前記マスク膜上の第１感光剤の一部の上に配置させることを特徴とする請求項５に記載の抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法。
  8. 前記第６ステップは、
    前記パターニングされたマスク膜をマスクとして基板を酸素雰囲気で熱処理して、前記基板の表面に所定厚さの酸化膜を形成するステップと、
    前記酸化膜を除去して、前記抵抗性領域の端を尖らすステップと、
    を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法。
  9. 前記基板の熱処理によって、
    前記第１電極半導体領域及び前記第２電極半導体領域で広がった抵抗領域が前記基板の上部で互いに接触して、先端形成部を形成することを特徴とする請求項８に記載の抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法。
  10. 前記第１不純物は、ｐ型不純物であり、前記第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に記載の抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法。
  11. 前記第１不純物は、ｎ型不純物であり、前記第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に記載の抵抗性チップを備える半導体探針の製造方法。
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