CN100568478C - 具有电阻尖端的半导体探针及其制作方法、和具有该半导体探针的信息记录装置、信息复制装置和信息测量装置 - Google Patents

Abstract

提出一种具有电阻尖端的半导体探针、制作半导体探针的方法以及使用半导体探针来记录和复制信息的方法。半导体探针包括尖端和悬臂梁。尖端掺杂有第一杂质。尖端位于悬臂梁的端部上。尖端包括电阻区域和第一、第二半导体电极区域。电阻区域位于尖端顶点，且轻度掺杂有不同于第一杂质的第二杂质。第一和第二半导体电极区域重度掺杂有第二杂质且与电阻区域接触。

Description

具有电阻尖端的半导体探针及其制作方法、和具有该半导体探针的信息记录装置、信息复制装置和信息测量装置

技术领域

本发明涉及一种高速、灵敏、具有电阻尖端的半导体探针和制作该探针的方法，且涉及一种具有半导体探针的信息记录装置、信息复制装置和信息测量装置。

背景技术

随着对于诸如便携通讯终端和电子鼻的小尺寸产品的需求增加，高度集成的微型非挥发性记录介质愈加被需求。减小已存在硬盘的尺寸和高度集成闪存不是容易的。也即，使用扫描探针的信息存储介质和方法已经被研究以作为可能的选择。

扫描探针用于各种类型扫描探针显微镜(SPMs)。例如，扫描探针用于扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、静电力显微镜(EFM)和类似。STM基于施加到探针和样品的电压间的差异来探测流过探针的电流，以复制信息。AFM利用探针和样品之间的原子力。MFM利用样品表面附加的磁场和磁化探针之间的磁力。SNOM改善分辨率至低于可见光的波长。EFM利用样品和探针之间的静电力。

为了使用诸如SPM来高速和高密度地记录和复制信息，在直径为数十纳米的微小面积上的表面电荷应该被探测。同样，悬臂梁应该被做成阵列形式以增加记录和复制速度。

图1A是透视图，显示扫描探针显微镜的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)探针，该MOSFET探针具有MOSFET沟道结构，在韩国专利公报第2001-45981中公开，且图1B是图1A中A部分的放大示意图。

参考图1A，MOSFET探针22(其通过刻蚀半导体衬底20形成)具有从半导体衬底20伸出的条状突起。电极衬垫20a和20b面对面位于半导体衬底20与MOSFET探针22的一端接触的部分上。

参考图1B，源区11和漏区13形成于MOSFET探针22的V形尖端10的斜面上，且沟道区域12形成于它们之间。

具有上述结构的MOSFET探针的V形尖端10定位于悬臂梁的端部。也即，难以将具有数十纳米半径的探针制作成阵列形式。在现有技术中，为制作该探针，具有数十纳米半径的尖端应使用包括氧化工艺等的多种工艺制作，使得探针垂直于悬臂梁。然而，由于当尖端被做成数十纳米的高度时光刻工艺的精度显著降低，因此难以形成源区和漏区以便制作短沟道。

图2A和2B是示意截面图，用于解释使用其中形成了源区11和漏区13的MOSFET尖端来复制信息的方法。参考图2A，MOSFET尖端10(其呈V字形状)掺杂了p型杂质。接着，MOSFET尖端10被掺杂n型杂质以形成源区11和漏区13于它的斜面上。MOSFET尖端10基于在记录介质15的表面上移动的表面电荷17的极性来探测流过沟道12的电流，以便检测表面电荷17的极性和密度。

图2B是MOSFET尖端10的顶点的放大截面图，用于解释扩展耗尽区14的过程。参考图2B，当MOSFET尖端10位于记录介质15中的正表面电荷17上方时，掺杂有p型杂质的沟道12的空穴逐步朝着源区11和漏区13移动，这归因于正表面电荷17引起的电场。

耗尽区域14(由于空穴的移动，空穴从耗尽区域被耗尽)扩展。当比使得耗尽区14的尺寸最大化的电场更高的电场施加到MOSFET尖端10的顶点时，含有少子的沟道形成于MOSFET尖端10的顶点处。如果更高的电场施加到MOSFET尖端10的顶点时，含有电子的沟道连接到源区11和漏区13。接着，由于施加在源区11和漏区13之间的电压，电流流过沟道。

换句话说，仅当由表面电荷引起的电场具有比适用于扩展含有少子的沟道至源和漏区的阈值电场值更高的值，MOSFET尖端10如晶体管一样工作。也即，既然不能探测到小于阈值电场值的表面电荷诱导电场，则MOSFET尖端10在有限的范围内起作用，并且MOSFET探针10的灵敏度降低。

发明内容

本发明提供一种对电场灵敏的、具有电阻尖端的半导体探针，和使用自对准方法来制作该探针的方法。

本发明还提供一种信息记录、复制和测量装置，通过使用MOSFET探针来探测强度小于所能探测到的最小电场强度的电场，用于记录、复制和测量记录介质上的信息，并且提供一种信息记录、复制及其测量方法。

按照本发明的一方面，提供一种包括尖端和悬臂梁的半导体探针。尖端掺杂第一杂质。悬臂梁具有一端部，尖端定位于该端部上。尖端包括电阻区域以及第一和第二半导体电极区域。电阻区域位于尖端顶点且轻度掺杂不同于第一杂质的第二杂质。第一和第二半导体电极区域重度掺杂第二杂质且与电阻区域接触。

按照本发明的另一方面，提供一种制作半导体探针的方法。通过向掺杂有第一杂质的衬底表面轻度掺杂不同于第一杂质的第二杂质，在衬底表面上形成电阻区域。具有预定形状的掩模层形成于电阻区域，除掩模层外的衬底区域被重度掺杂第二杂质以形成第一和第二半导体电极区域。具有预定形状的光刻胶涂覆在掩模层上以垂直于掩模层，且进行刻蚀工艺以使得掩模层变成预定形状。衬底被刻蚀，且进行热氧化工艺以完成半导体尖端。

优选地是，形成于电阻区域的掩模层具有条形形状。

按照本发明的又一方面，提供一种用于记录信息于记录介质上的信息记录装置。该信息记录装置包括电极层、叠于电极层上的铁电层、和半导体探针。该半导体探针包括尖端和悬臂梁，尖端定位于悬臂梁的一端部。掺杂第一杂质的尖端具有掺杂第二杂质且形成于尖端顶点的电阻区域，和掺杂第二杂质并与电阻区域接触的第一和第二半导体电极区域，其中第二杂质不同于第一杂质。当电压施加到第一和第二半导体电极区域时，电场形成于记录介质的电极层和尖端之间，介电极化形成于铁电层中，且半导体探针记录信息于记录介质上。

按照本发明的又一方面，提供一种用于复制记录于记录介质上的信息的信息复制装置。该信息复制装置包括一铁电层和一具有尖端和悬臂梁的半导体探针，尖端定位于悬臂梁的一端部。掺杂第一杂质的尖端具有电阻区域以及第一和第二半导体电极区域，电阻区域掺杂有第二杂质且形成于尖端顶点，第一和第二半导体电极区域掺杂有第二杂质且与电阻区域接触，其中第二杂质不同于第一杂质。半导体探针复制记录在记录介质上的信息，通过探测由于记录介质诱导的电场所引起的电阻区域的电阻值变化。

按照本发明的又一方面，提供一种用于映像含在包括信息发射电场的样品中的电荷的信息测量装置。信息测量装置包括具有尖端和悬臂梁的半导体探针，尖端定位于悬臂梁的一端部。掺杂第一杂质的尖端具有掺杂第二杂质且形成于尖端顶点的电阻区域，以及掺杂第二杂质并与电阻区域接触的第一和第二半导体电极区域，其中第二杂质不同于第一杂质。半导体探针通过探测归因于样品所诱导电场的电阻区域的电阻值变化来测量信息。

附图说明

图1A是透视图，显示韩国专利公报第2001-45981中公开的扫描探针显微镜的探针；

图1B是图1A中部分A的放大图示；

图2A是示意性截面图，用于解释使用MOSFET尖端来探测记录介质的表面电荷的方法；

图2B是示意性截面图，用于解释扩展MOSFET尖端中耗尽区的原理；

图3是示意性截面图，举例说明按照本发明实施例的半导体探针；

图4是示意性截面图，用于解释按照本发明实施例、扩展半导体探针中耗尽区的原理；

图5A至5I是透视图，用于解释按照本发明半导体探针制作方法的工艺；

图6是图5I中B部分的放大图；

图7是爆炸透视图，显示具有按照本发明的半导体探针的信息记录装置；

图8A和8B是示意性截面图，用于解释使用按照本发明的半导体探针来复制信息的方法；

图9是示意性截面图，用于解释使用按照本发明的半导体探针来记录信息的方法；

图10是按照本发明的半导体探针的电阻尖端的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图11举例说明由按照本发明的半导体探针所探测到的锆钛酸铅(Pb(Zr_xTi_1-x)O3，PZT)层的铁电极化；以及

图12举例说明由按照本发明的半导体探针探测的硫酸三甘肽(TGS)层的铁电极化。

具体实施方式

由此往后，按照本发明的实施例，半导体探针和制作该探针的方法将参照附图作详细描述。

图3是示意性截面图，举例说明按照本发明实施例的半导体探针的电阻尖端。参考图3，电阻尖端50包括掺杂有第一杂质的基体58、电阻区域56以及第一和第二半导体电极区域52和54，电阻区域56位于半导体探针50的电阻尖端的顶点且轻度掺杂第二杂质，第一和第二半导体电极区域52和54形成于围绕电阻尖端50的电阻区域56的斜面上且重度掺杂第二杂质。这里，如果第一杂质是p型杂质，则第二杂质是n型杂质。如果第一杂质是n型杂质，则第二杂质是p型杂质。

在按照本发明实施例的半导体探针中，记录介质53中表面电荷57的差异造成要诱导的不同强度电场，由于这个原因，电阻区域56的电阻值变化。表面电荷57的极性和密度可从电阻值的变化探测。

图4是示意性截面图，用于解释扩展按照本发明的电阻尖端中的耗尽区的原理。

在图2B中所示的MOSFET尖端10中，耗尽区14扩展至第一和第二半导体电极区域11和13，使得包含少子的沟道形成于MOSFET尖端10的顶点。作为结果，电流在源区11和漏区13之间流动，且表面电荷17的极性可以从电流强度探测。然而，在图4所示按照本发明的电阻尖端50中，尽管耗尽区68没有扩展至第一和第二电极区域52和54，电阻区域56的电阻仍然变化。也即，表面电荷57的极性和数量可从电阻值的变化探测。因为按照本发明的半导体探针包括具有低于MOSFET尖端10的阈值电场值的电阻尖端50，所以电阻尖端50的灵敏度优于MOSFET尖端10。

如图4中可以看到的，形成于电阻区域56中的耗尽区68朝着第一和第二半导体电极区域52和54扩展，这归因于由表面电荷57诱导的电场。

因为电阻区域56的电阻值R满足等式1，则电阻值R反比于电阻区域56的面积A。也即，电阻区域56的阻值R随着耗尽区68面积的增加而增加。阻值R的变化改变了流过电阻尖端50的电流，也即记录介质53中的表面电荷57可从电流的变化探测。

$R=\mathrm{\ρ}\frac{l}{A}...\left(1\right)$

这里，“ρ”代表电阻区域56的电阻率，“l”代表第一和第二半导体电极之间的间隙，以米为单位，“A”代表电阻区域56的面积，以平方米为单位。

图5A至5I是截面图，用于解释制作按照本发明的半导体探针的方法。这里，该方法包括形成电阻区域、形成半导体电极区域、形成正方形的掩模层和形成半导体探针的步骤。

为形成电阻区域31a，如图5A所示，硅或绝缘体上硅(SOI)衬底31的表面(其已经掺杂第一杂质)被轻度掺杂第二杂质。

为形成第一和第二半导体电极区域32和34，如图5B所示，掩模层33a由氧化硅或氮化硅形成于硅衬底31的电阻区域31a上。接着，掩模层33a的表面涂覆光刻胶35b，且具有条形形状的掩模38a被放置在光刻胶35b上。此后，所得结构被曝光、显影和刻蚀。

相应地，如图5C所示，具有条形形状的掩模层33b形成于硅衬底31上。接着，除了掩模层33b的所有区域在离子注入过程中被重度掺杂第二杂质，以形成第一和第二半导体电极区域32和34。

在离子注入过程中，第一和第二半导体电极区域32和34可形成为使得它们具有远低于电阻区域31b的电阻率。

为减小第一和第二半导体电极区域32和34之间的电阻区域31b的宽度以小于掩模层33b的宽度，在离子注入过程后进行附加的退火过程，以便通过扩散其中的离子来扩展重掺杂区域。

在按照本发明制作半导体探针的方法中，先于制作电阻尖端30，可进行离子注入工艺和微细光刻刻蚀工艺，以形成第一和第二半导体电极区域32和34且减小电阻区域31b的宽度。

如图5D和5E所示，进行光刻工艺和干刻蚀工艺，以形成具有正方形形状的掩模层33c。

如图5D所示，首先进行光刻工艺。硅衬底31的表面涂覆光刻胶35c以便覆盖掩模层33c。接着，具有条形形状的光掩模38c被放置在光刻胶35c上以便垂直于掩模层33c。此后，所得结构被曝光、显影和刻蚀，以形成具有与光掩模38c相同形状的光刻胶层35d。

如图5E所示，掩模层33d没有被光刻胶层35d覆盖的部分被干法刻蚀，使得掩模层33d被制作成具有图5F所示的正方形形状的掩模层33e。

如图5G所示，利用具有正方形形状的掩模层33f作为掩模来湿或干刻蚀硅衬底31。此后，如图5H所示，第一和第二半导体电极区域32和34设置于电阻尖端30的斜面上，接着电阻区域31g排列在电阻尖端30的顶点。

图5I举例说明使用上述整个过程做成的半导体探针。参照图5I，绝缘层37叠放在硅衬底31上。电极39形成于绝缘层37上。悬臂梁41从硅衬底31延伸。电阻尖端30垂直地形成于悬臂梁41上。重度掺杂有第二杂质的第一和第二半导体电极区域32和34位于电阻尖端30的斜面上。轻度掺杂有第二杂质的电阻区域31g位于电阻尖端30的顶点。第一和第二半导体电极区域32和34通过悬臂梁41连接到电极39。

图6是图5I中部分B的放大显示图，用于举例说明按照本发明的半导体探针的电阻尖端30。参照图6，电阻区域31g位于圆锥形的电阻尖端30的顶点。第一和第二半导体电极区域32和34被相互隔开且与电阻区域31g接触。第一和第二半导体电极区域32和34位于电阻尖端30的右边和左边，且延伸到悬臂梁41的整个表面。

图7是爆炸透视图，显示按照本发明、使用图5中所示半导体探针的信息记录和/复制装置。参照图7，平台101(其上放有记录介质103)定位在底部。半导体探针阵列105(其中排列多个半导体探针107)被放置在记录介质103上方。第一信号处理模块113和第二信号处理模块111排列在半导体探针阵列105上。第一信号处理模块113转换外部信息成为可由多个半导体探针107记录的信号或转换由多个半导体探针107复制的信息成为要被传送到外部的信息。第二信号处理模块111传送由第一信号处理模块113转换的信号至半导体探针阵列105，或传送由半导体探针阵列105产生的信号至第一信号处理模块113。

平台101驱动记录介质103以朝着多个半导体探针107中的预定探针移动记录介质103。

使用按照本发明的半导体探针的信息测量装置可以构成。信息测量装置包括半导体探针。半导体探针包括尖端和悬臂梁。掺杂有第一杂质的尖端具有电阻区域(掺杂有第二杂质且形成于尖端顶点)以及第一和第二半导体电极区域(其掺杂有第二杂质并与电阻区域接触)，其中第二杂质不同于第一杂质。尖端定位于悬臂梁的一端部。半导体探针通过探测由于样品引起的电场所造成的电阻区域的阻值变化来测量信息。按照本发明，使用信息测量装置测量信息的原理与使用信息记录和/或复制装置复制信息的原理类似。

自此往后，使用按照本发明实施例的信息记录和/或复制装置的记录和复制信息的方法将参照图8A、8B和9作详细描述。

图8A举例说明通过使用半导体探针探测正表面电荷来复制信息的方法，在半导体探针中通过掺杂p型杂质而形成了电阻区域。图8B举例说明通过使用半导体探针探测负表面电荷来复制信息的方法，在半导体探针中通过掺杂n型杂质而形成了电阻区域。

参照图8A，第一和第二半导体电极区域52和54重度掺杂p型杂质，且电阻区域56轻度掺杂p型杂质。其上定位有电阻尖端50的记录介质53部分具有正表面电荷57。作为结果，通过由正表面电荷57诱导的电场而在电阻区域56中形成耗尽区(未显示)。

由于耗尽区域是非导电区域，电阻区域56的面积减少，这增加电阻值。电阻尖端50可从电阻值的变化探测正表面电荷57。如果电阻尖端50定位于负表面电荷上方，则不会形成耗尽区域。作为结果，电阻值几乎不变化或减小，也即表面电荷的极性可从电阻值的变化探测。负电荷可定义为信息“0”，且正电荷可定义为信息“1”。相反的情况也可。

参照图8B，第一和第二半导体电极区域52和54重掺杂n型杂质，且电阻区域56轻掺杂n型杂质。其上方定位有电阻尖端50的记录介质53部分具有负表面电荷57。基于负表面电荷57诱导的电场，耗尽区(未显示)形成于电阻区域56中。使用按照本发明的电阻尖端50，从因电阻区域56面积的减小造成阻值变化来探测负表面电荷的原理与参照图6A的描述相同。

如果表面电荷57为正，则耗尽区域不扩展，且电阻几乎不变化或减小。也即，表面电荷57的极性可从电阻值的变化探测。

图9是截面图，用于举例说明使用按照本发明的半导体探针记录信息于记录介质53上的方法。参照图9，为了记录信息于记录介质53上，相同电压施加到第一和第二半导体电极区域52和54以及电阻探针50的基体58上。支撑记录介质53的底电极55接地。作为结果，电场形成于电阻尖端50的顶点和记录介质53的底电极55之间。这里，即使相同电压仅施加到第一和第二半导体电极区域52和54，电场仍形成于电阻尖端50和底电极55之间，由此允许信息被记录在记录介质53上。

通过电场，记录介质53中铁电层的介电极化产生。也即，表面电荷57可产生，或已存在的表面电荷的极性可改变。负电荷可定义为信息“0”，正电荷可定义为信息“1”。相反的情况也可。

图10是按照本发明的半导体探针的电阻尖端的SEM照片，电阻尖端垂直于悬臂梁的端部。这里，参考字母C代表悬臂梁部分，其中定位有电阻区域31g，且参考数字32和34分别代表第一和第二半导体电极区域。

图11是图像，举例说明由于半导体探针的电阻值的变化，使用按照本发明的半导体探针记录在PZT层上的铁电极化信息。图12是图像，举例说明硫酸三甘肽(TGS)层的铁电极化。在开展的用于获得图像的实验中，记录电压设定为15V，复制电压设定为4V，且扫描速率设定为2赫兹。在图11和12中，白色部分表示来自沿着由底至顶的方向极化的畴的正电荷，黑色部分表示来自沿着由顶至底的方向极化的畴的负电荷。按照本发明的一方面，使用半导体探针的信息测量装置通过使用上述原理来探测和反映由包含在样品中的电荷诱导的电场。

众所周知，TGS层的铁电极化的表面电荷密度通常约为几个μC/cm²，且PZT层的铁电极化的表面电荷密度约为几十μC/cm²。

通过使用按照本发明的半导体探针，具有约几个μC/cm²的小电荷密度的信息可被记录或复制。同样，不像已存在的EFM，按照本发明的半导体探针不采用信号调制技术。也即，半导体探针可高速探测信号。

按照本发明制作半导体探针的方法可在垂直于悬臂梁端部的电阻尖端中形成电阻区域，使用了在定位于半导体电极区域之间的电阻尖端的中心形成电阻区域的自对准方法。作为结果，用于探测记录介质的小面积中的少量表面电荷的SPM基纳米器件可易于制作。

当具有大容量的纳米信息记录、复制或测量装置采用本发明提出的半导体探针时，纳米信息记录、复制或测量装置可探测记录介质小面积内的电荷以记录和复制信息。

尽管本发明参照示例性实施例具体地显示和描述，本领域普通技术人员可以理解，装置可使用各类半导体探针记录和复制信息，而不偏离由所附权利要求限定的本发明精神和范围。因而，本发明范围必须由附加权利要求而不是上述实施例限定。

工业适用性

如上所述，在按照本发明的半导体探针和制作该探针的方法中，电阻区域可形成在垂直于悬臂梁的电阻尖端中，以探测小的表面电荷。半导体探针具有好的灵敏度且可用于纳米传感器或类似装置中。

同样，因为信息可从电阻区域的电阻值的变化探测，因此信息可利用小驱动电压被高密度记录和复制。

Claims (6)

1、一种半导体探针，包括：

掺杂有第一杂质的尖端；和

具有一端部的悬臂梁，所述尖端定位于所述端部上，

其中所述尖端包括：

位于所述尖端的顶点处且轻度掺杂有导电类型不同于所述第一杂质的第二杂质的电阻区域；和

形成于所述尖端的顶点周围的斜面上的第一和第二半导体电极区域，重度掺杂有所述第二杂质且与所述电阻区域接触。

2、一种制作半导体探针的方法，该方法包括：

形成一电阻层于一衬底上，方法是向掺杂有第一杂质的所述衬底的表面轻度掺杂导电类型不同于所述第一杂质的第二杂质；

在所述电阻层上形成具有预定形状的掩模层，并且利用所述第二杂质重度掺杂除了被所述掩模层遮蔽的区域之外的衬底区域，以形成第一和第二半导体电极区域；

涂覆具有预定形状的光刻胶于所述掩模层上使得其与所述掩模层垂直，且进行刻蚀工艺以使得所述掩模层变成预定形状；以及

刻蚀除了被所述掩模层遮蔽的区域之外的衬底区域且进行热氧化工艺，以形成所述半导体探针的尖端。

3、按照权利要求2的方法，其中形成于所述电阻层上的所述掩模层具有条形形状。

4、一种用于记录信息于记录介质上的信息记录装置，所述信息记录介质包括底电极、叠于该底电极上的铁电层、和一半导体探针，该半导体探针包括：

尖端，在所有部分掺杂有第一杂质，除了在所述尖端的顶点轻度掺杂导电类型不同于所述第一杂质的第二杂质的电阻区域和在所述尖端的顶点周围的斜面上重度掺杂第二杂质的第一和第二半导体电极区域；和

悬臂梁，所述尖端定位于该悬臂梁的一端部，

其中，通过施加电压于半导体电极和底电极之间，从而转换所述铁电层中的介电极化，则将信息以介电极化的形式记录在所述记录介质中。

5、一种用于从记录介质复制信息的信息复制装置，包括一铁电层和一半导体探针的该信息复制装置包括：

尖端，在所有部分掺杂第一杂质，除了在所述尖端的顶点轻度掺杂导电类型不同于所述第一杂质的第二杂质的电阻区域，和在所述尖端的顶点周围的斜面上重度掺杂第二杂质的第一和第二半导体电极区域；和

一悬臂梁，所述尖端定位于所述悬臂梁的一端部，

其中，通过探测因所述记录介质诱导的电场造成的所述电阻区域的电阻值变化，所述半导体探针复制记录在所述记录介质上的信息。

6、一种包括一半导体探针的信息测量装置，包括：

一尖端，在所有部分掺杂第一杂质，除了在所述尖端的顶点轻度掺杂导电类型不同于所述第一杂质的第二杂质的电阻区域和在所述尖端的顶点周围的斜面上重度掺杂第二杂质的第一和第二半导体电极区域；以及

一悬臂梁，所述尖端定位于所述悬臂梁的一端部，

其中，所述半导体探针通过探测由于样品诱导的电场所引起的所述电阻区域的电阻值变化来测量信息。

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