CN101159171A - 具有楔形电阻性尖端的半导体探针及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有楔形电阻性尖端的半导体探针及该半导体探针的制造方法。所述半导体探针包括：掺杂有第一杂质的电阻性尖端，具有掺杂有极性与所述第一杂质相反的低浓度的第二杂质的电阻区，并在所述电阻性尖端的两侧斜面上具有掺杂有高浓度的第二杂质的第一和第二半导体电极区；和悬臂，在其边缘上具有所述电阻性尖端，其中所述电阻性尖端的端部具有楔形。

Description

具有楔形电阻性尖端的半导体探针及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有楔形电阻性尖端的半导体探针及其制造方法，且更具体而言，涉及具有楔形电阻性尖端且其中电极形成在电阻性尖端两侧上的半导体探针及其制造方法。
背景技术
随着对例如移动通讯终端和个人数字助理的小型电子装置的需求增加，带来了对超小型高度集成记录媒质的需要。然而，由于常规硬盘的小型化不容易，且闪存的高度集成也困难，因此对使用扫描探针的信息存储装置也进行了研究。
扫描探针用于各种扫描探针显微(SPM)技术中。它们的示例是通过探测根据施加在扫描探针和样品之间的电压差流通的电流而读取信息的扫描隧道显微镜(STM)、使用扫描探针与样品之间的原子力的原子力显微镜(AFM)、使用样品的磁场与磁化扫描探针之间的磁力的磁力显微镜(MFM)、克服可见光的分辨率极限的扫描近场光学显微镜(SNOM)、和使用样品与扫描探针之间的静电电荷的静电力显微镜(EFM)。
为了使用SPM技术以高速度和高密度读和写信息，扫描探针必须能够探测直径小至几十纳米的区域的表面电荷。而且，为了提高读和写速度，悬臂必须制造为阵列。
图1是公开于国际专利申请No.WO 03/096409的具有电阻性尖端50的悬臂70的截面图。该电阻性尖端50垂直形成在悬臂70上，能够制造为阵列，且能够具有几十纳米直径的电阻区56。
参考图1，半导体探针的电阻性尖端50包括掺杂第一杂质的主体58、位于电阻性尖端50的端部上并掺杂低浓度的第二杂质的电阻区56、和位于主体58的两侧斜面上并掺杂高浓度的第二杂质的第一和第二半导体电极区52和54。
然而，在具有传统电阻性尖端50的半导体探针中，通过在形成电阻性尖端50的湿蚀刻工艺中的过度蚀刻，高浓度掺杂的第一和第二半导体电极区52和54的斜面区被减小。因此，斜面上的导电区减小，这增加了电阻区56，从而减小电阻变化的空间分辨率。
发明内容
本发明提供了具有高空间分辨率的含有楔形电阻性尖端的半导体探针。
本发明还提供了具有高空间分辨率的含有楔形电阻性尖端的半导体探针的制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体探针，包括：掺杂有第一杂质的电阻性尖端，具有掺杂有极性与所述第一杂质相反的低浓度的第二杂质的电阻区，并在所述电阻性尖端的两侧斜面上具有掺杂有高浓度的第二杂质的第一和第二半导体电极区；和悬臂，在其边缘上具有所述电阻性尖端，其中所述电阻性尖端的端部具有楔形。
在所述电阻性尖端的楔形的长度方向的端部包括位于所述端部的中心部分的所述电阻区和形成在所述电阻区两侧上的第一和第二半导体电极区。
所述电阻性尖端的端部可以具有20nm到2μm的长度。
所述第一杂质可以是p型杂质且第二杂质可以是n型杂质。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有楔形电阻性尖端的半导体探针的方法，包括：提供掺杂第一杂质的硅衬底和在所述硅衬底的上表面上的掩模层；在所述掩模层上形成条纹形光致抗蚀剂，并通过使用所述条纹形光致抗蚀剂作为掩模来蚀刻所述掩模层而形成具有第一宽度的条纹形第一掩模；通过掺杂第二杂质在所述硅衬底上除了被第一掩模覆盖的区域之外的区域上形成第一和第二半导体电极区，所述第二杂质具有与第一杂质相反的极性；通过退火所述硅衬底在所述第一和第二半导体电极区之间形成掺杂低浓度第二杂质的电阻区；通过构图所述第一掩模形成具有第一宽度和第二宽度的矩形第二掩模；通过蚀刻除了被所述矩形第二掩模覆盖的硅衬底的部分的所述硅衬底而在所述硅衬底的上部分上形成楔形电阻性尖端；和通过蚀刻所述硅衬底的下部分形成悬臂，使得所述电阻性尖端能够位于所述悬臂的边缘上。
形成所述矩形第二掩模可以包括构图具有大于所述第二宽度的第一宽度的第一掩模。
第一宽度可以比第二宽度大10到50％。
第一宽度可以是30nm到2μm。
形成所述矩形第二掩模可以包括形成与第一掩模垂直并交叉的具有第二宽度的条纹形光致抗蚀剂，并使用具有第二宽度的条纹形光致抗蚀剂作为掩模蚀刻所述第一掩模。
形成所述楔形电阻性尖端还可以包括退火所述硅衬底使得所述第一和第二半导体电极区之间的电阻区接触。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，本发明的上述和其他特点和优点将变得更为明显，在附图中：
图1是国际专利申请No.WO 03/096409中公开的具有电阻性尖端的悬臂的截面图；
图2是根据本发明的实施例的具有楔形电阻性尖端的半导体探针的尖端部分的截面图；
图3是图2的半导体探针的尖端的端部的放大视图；
图4A和4B是示出图1和2的尖端的掺杂浓度的模拟结果的曲线图；
图5A和5B是从顶部观察时图1和2的尖端的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图6A到6I是连续示出根据本发明的实施例的楔形电阻性尖端的制造方法的透视图；
图7是用于比较常规半导体探针和根据本发明实施例的具有楔形电阻性尖端的半导体探针之间的空间分辨率的模拟的探针的截面图；
图8是示出使用图7的探针的根据电荷变化的漏极电流测量结果的曲线图；
图9A和9B是用于比较使用常规半导体探针和根据本发明实施例的半导体探针读取数据的SEM图像。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述根据本发明的具有楔形电阻性尖端的半导体探针和该半导体探针的制造方法，在附图中示出了本发明的示范性实施例。在附图中，为了清楚而放大了层和区域的厚度，且相同的参考标号指代相同元件。
图2是根据本发明实施例的具有楔形电阻性尖端的半导体探针的尖端部分的截面图。
参考图2，半导体探针的尖端150垂直形成在悬臂170的一端上。尖端150包括掺杂第一杂质的主体158、形成在尖端150的端部上并掺杂低浓度第二杂质的电阻区156、和位于尖端150的侧斜面上并掺杂高浓度第二杂质的第一和第二半导体电极区152和154，其中电阻区156在第一和第二半导体电极区中间。这里，第一杂质可以是p型杂质，且第二杂质可以是n型杂质。
尖端150的端部具有第一宽度W的楔形。电阻区156形成在尖端150的端部的中心部分中，且第一和第二半导体电极区152和154形成在电阻区156的各个侧面上。第一和第二半导体电极区152和154之间的电阻区156的电阻值减小，由于形成在电阻区156两侧上的第一和第二半导体电极区152和154限定了电阻区156，因此提高了对电阻变化的灵敏度。
记录媒质的表面电荷157(参考图3)产生的电场引起电阻区156的电阻变化。从电阻的变化正确探测表面电荷的极性和大小。在根据本发明的尖端150中，在楔形尖端150的导电区152和154限定电阻区156，记录媒质的表面电荷影响该电阻区156。因此，即使很小的电阻变化也能探测到，从而提高空间分辨率。
楔形电阻性尖端150的第一宽度W可以是20nm到2μm。具有小于20nm的宽度的楔形电阻性尖端的制造困难，且尖端可以形成为点形而不是楔形。另一方面，具有大于2μm的宽度的楔形电阻性尖端降低感测速度因此降低空间分辨率。
图3是图2的半导体探针尖端的端部的放大视图。
现在将参考图3详细描述根据本发明的实施例的具有楔形电阻性尖端150的半导体探针的操作。
在楔形电阻性尖端150中，当探测记录媒质153的表面电荷157时，由于电阻区156的面积被非导电耗尽区168减小，电阻区156的电阻改变。因此，可以从电阻的变化探测记录媒质153的表面电荷157的极性和大小。可以看出非导电耗尽区168通过负表面电荷157产生的电场朝主体158逐渐扩展。具体而言，根据本发明的楔形电阻性尖端150具有探测由电阻区156中的电场引起的电阻变化的提高的分辨率，因为电阻区156小且因而具有低电阻。
图4A和4B是示出图1和2的尖端的掺杂浓度模拟结果的曲线图。
参考图4A，在尖端端部的0.5到0.6μm内的区域是掺杂1015～1017/cm3的掺杂浓度的低浓度区。即，电阻区大。
参考图4B，在楔形电阻性尖端的端部上，可以看出掺杂1015～1017/cm3掺杂浓度的低浓度区即电阻区形成在掺杂1018/cm3的掺杂浓度的导电区之间。因此，在尖端的端部形成具有约0.1到0.2μm宽度的非常小的电阻区。因此图4B的电阻区的电阻低于图4A的电阻区。
图5A和5B是从顶部观察时图1和2的尖端的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5A的尖端具有锥形，但图5B的尖端具有楔形。
图6A到6I是连续示出根据本发明实施例的楔形电阻性尖端的制造方法的透视图。
参考图6A，掩模层233由氧化硅或氮化硅形成在掺杂第一杂质的硅衬底231、或绝缘体上硅(SOI)衬底的表面上。在光致抗蚀剂235形成在掩模层233的上表面上之后，条纹形掩模238设置于光致抗蚀剂235上方。
参考图6B，通过曝光、显影和蚀刻，条纹形第一掩模233a形成在硅衬底231上。条纹形掩模238控制条纹形第一掩模233a的第一宽度W1。第一宽度W1与楔形的长度相关，并可以是30nm到2μm 。
接着，通过以高浓度第二杂质掺杂衬底231除了被条纹形第一掩模233a覆盖的区域，形成第一和第二半导体电极区232和234。第一和第二半导体电极区232和234充当导体，因为它们具有非常低的电阻。
参考图6C，当硅衬底231被退火时，通过从具有高浓度第二杂质的第一和第二半导体电极区232和234扩散第二杂质，形成具有低浓度第二杂质的电阻区236。条纹形第一掩模233a下面的电阻区236可以彼此接触。电阻区236的接触可以通过增加退火工艺来实现。
参考图6D和6E，覆盖条纹形第一掩模233a的光致抗蚀剂层239涂覆在硅衬底231的上表面上，且条纹形光掩模240设置在光致抗蚀剂层239上方，垂直交叉条纹形第一掩模233a。接着，进行曝光、显影和蚀刻，以产生具有与条纹形光掩模240相同形状的光致抗蚀剂层239a。条纹形光掩模240控制条纹形第一掩模233a的第二宽度W2。第一宽度W1可以比第二宽度W2大10到50％。
参考图6F，通过干蚀刻未被光致抗蚀剂层239a覆盖的条纹形第一掩模233a而形成矩形第二掩模233b。
参考图6G，在除去光致抗蚀剂层239a之后，硅衬底231被使用矩形第二掩模233b作为掩模湿蚀刻或干蚀刻。
参考图6H，第一和第二半导体电极区232和234形成在尖端230的斜面上，且电阻区236在尖端230的端部自对准。在矩形第二掩模233b下方的硅衬底231的蚀刻工艺中，蚀刻在X方向比在Y方向慢。因此，在锥形端部形成在Y方向的状态下，进行X方向的蚀刻使得锥形端部能够具有某一长度。即，楔形电阻性尖端形成。
接着，通过蚀刻硅衬底231的下表面形成悬臂270，使得电阻性尖端230位于悬臂270的一端，且第一和第二半导体电极区232和234连接到电极焊盘284，该电极焊盘被硅衬底231上的绝缘层282绝缘。因此，完成图6I所示的半导体探针。
图7是用于比较常规半导体探针和根据本发明实施例的具有楔形电阻性尖端的半导体探针之间的空间分辨率的探针的截面图。图8是示出根据电荷的变化的漏极电流使用图7的扫描探针的测量结果的曲线图。
参考图7和8，源区和漏区332和334形成在电阻性尖端330的两侧上，且电阻区336形成在电阻性尖端330的端部上。用于施加浮置电压的金属340形成在与电阻区336的末端分开的位置上。金属340具有直径10nm的开口342。+1V和-1V的浮置电压施加到金属340，并在箭头A所示的方向移动浮置电流时，计算电阻性尖端330的漏极电流。使用具有300nm长度的楔形电阻性尖端进行根据本发明的模拟。常规电阻性尖端具有“0”楔形长度。
测量结果显示根据本发明实施例的楔形电阻性尖端的+电荷和-电荷的过渡宽度比常规电阻性尖端的过渡宽度尖锐得多。而且，在施加2.3V的漏电压时，当探测金属340的电荷时，根据本发明实施例的楔形电阻性尖端的漏极电流约为常规电阻性尖端的10倍。这表明形成在楔形电阻性尖端330的电阻区336两侧上的重掺杂的半导体电极区提高了电阻区336的分辨率。
图9A和9B是用于比较使用常规半导体探针和根据本发明实施例的半导体探针读取数据的SEM图像。
实验条件如下：
回极(back poling)：3μm×3μm，+8V
写：-10V，-8V和-6V
读面积和速度：5μm×5μm，10μm/秒
参考图9A和9B，可以看出根据本发明实施例的具有楔形电阻性尖端的半导体探针具有比常规半导体探针高的分辨率。
根据本发明具有楔形电阻性尖端的半导体探针，在形成于电阻性尖端端部上的电阻区两侧上形成的导电区限定了电阻区，且因此提高了电阻区的分辨率。
根据具有楔形电阻性尖端的半导体探针的制造方法，在电阻区端部两侧上具有导电区的楔形电阻性尖端通过使用矩形掩模蚀刻硅衬底而形成。
楔形电阻性尖端可以用于扫描探针技术或超小型信息存储装置，允许设备通过在小区域中探测或形成电荷而读或写信息。
虽然参考本发明的实施例具体示出并描述了本发明，但本发明不应被理解为限于这里给出的实施例，这些实施例仅是示例性的。本领域的技术人员可以制造各种形状的探针而不脱离本发明的精神和范畴。因此，本发明的范畴不是由本发明的具体描述限定，而是由所附权利要求限定，并且该范畴内的所有变化也包括在本发明中。

Claims (14)

1.一种半导体探针，包括：
掺杂有第一杂质的电阻性尖端，具有掺杂有极性与所述第一杂质相反的低浓度的第二杂质的电阻区，并在所述电阻性尖端的两侧斜面上具有掺杂有高浓度的第二杂质的第一和第二半导体电极区；和
悬臂，在其边缘上具有所述电阻性尖端，其中所述电阻性尖端的端部具有楔形。
2.根据权利要求1所述的半导体探针，其中在所述电阻性尖端的楔形的长度方向的端部包括位于所述端部的中心部分的所述电阻区和形成在所述电阻区两侧上的所述第一和第二半导体电极区。
3.根据权利要求2所述的半导体探针，其中所述电阻性尖端的端部具有20nm到2μm的长度。
4.根据权利要求1所述的半导体探针，其中所述第一杂质是p型杂质且所述第二杂质是n型杂质。
5.根据权利要求1所述的半导体探针，其中所述第一杂质是n型杂质且所述第二杂质是p型杂质。
6.一种具有楔形电阻性尖端的半导体探针的制造方法，包括：
提供掺杂第一杂质的硅衬底和在所述硅衬底的上表面上的掩模层；
在所述掩模层上形成条纹形光致抗蚀剂，并通过使用所述条纹形光致抗蚀剂作为掩模来蚀刻所述掩模层而形成具有第一宽度的条纹形第一掩模；
通过掺杂第二杂质在所述硅衬底上除了被第一掩模覆盖的区域之外的区域上形成第一和第二半导体电极区，所述第二杂质具有与第一杂质相反的极性；
通过退火所述硅衬底在所述第一和第二半导体电极区之间形成掺杂低浓度第二杂质的电阻区；
通过构图所述第一掩模形成具有第一宽度和第二宽度的矩形第二掩模；
通过蚀刻除了被所述矩形第二掩模覆盖的硅衬底的部分的所述硅衬底而在所述硅衬底的上部分上形成楔形电阻性尖端；和
通过蚀刻所述硅衬底的下部分形成悬臂，从而所述电阻性尖端能够位于所述悬臂的边缘上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中形成所述矩形第二掩模包括构图具有大于所述第二宽度的第一宽度的第一掩模。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一宽度比第二宽度大10到50％。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一宽度是30nm到2μm。
10.根据权利要求6所述的方法，其中形成所述矩形第二掩模包括形成与第一掩模垂直并交叉的具有第二宽度的条纹形光致抗蚀剂，并使用具有第二宽度的条纹形光致抗蚀剂作为掩模蚀刻所述第一掩模。
11.根据权利要求6所述的方法，其中在所述电阻性尖端的楔形的长度方向的端部包括在所述端部的中心部分的电阻区和形成在所述电阻区两侧上的第一和第二半导体电极区。
12.根据权利要求6所述的方法，其中形成所述楔形电阻性尖端还包括退火所述硅衬底使得所述第一和第二半导体电极区之间的电阻区接触。
13.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一杂质是p型杂质且第二杂质是n型杂质。
14.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一杂质是n型杂质且所述第二杂质是p型杂质。
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