DE4437306C2 - Strain gauge for measuring the strain of a single-crystal semiconductor material used as a semiconductor strain gauge - Google Patents
Strain gauge for measuring the strain of a single-crystal semiconductor material used as a semiconductor strain gaugeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungsmesser zur Messung der Dehnung eines als Halbleiterdehnungsmeß streifen eingesetzten einkristallinen Halbleiterma terials gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie aus US 4 191 057 bekannt. Die Erfindung dient zur Aus bildung konventioneller Halbleiterdehnungsmeßstreifen, insbesondere zur Messung der Dehnung eines aus Halblei termaterial gefertigten, einseitig eingespannten Hebel arms, der als Rastersonde für ein Rastersondenmikros kop einzusetzen ist.The invention relates to a strain gauge Measurement of the strain as a semiconductor strain gauge strips used monocrystalline semiconductors terials according to the preamble of the claim, such as known from US 4 191 057. The invention is used to formation of conventional semiconductor strain gauges, especially for measuring the elongation of a semi-lead made of one-sided clamps arms, which acts as a scanning probe for a scanning probe micros Kop is to be used.
Aus DE-OS 22 31 977 ist eine Anordnung zur Messung me chanischer Dehnungen eines einkristallinen Halbleiter materials mittels vier MOS-Feldeffekttransistoren be kannt. Die Transistoren liegen auf den Ecken einer Raute, deren Diagonale kristallographische Achsen sind, die hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften gleich wertig sind. Diese Anordnung dient bei einer Dehnungs messung der Überwindung von Nachteilen, die sich aufgrund von sich ändernden Störstoffkonzentrationen im Halbleitermaterial einstellen.From DE-OS 22 31 977 an arrangement for measuring me chanic strains of a single crystal semiconductor materials using four MOS field-effect transistors knows. The transistors are on the corners of one Diamond whose diagonals are crystallographic axes, the same in terms of electrical properties are valuable. This arrangement is used for an expansion measurement of overcoming disadvantages that arise due to changing concentrations of contaminants in the Adjust semiconductor material.
Gemäß J. Phys. D: Appl. Phys., 12, 1979, S. 1973-1983 werden mechanische Dehnungen in einem MOSFET durch Mes sung von sich in den elektronischen Bauteilen ändernden elektrischen Strömen ermittelt. According to J. Phys. D: Appl. Phys., 12, 1979, pp. 1973-1983 are mechanical strains in a MOSFET by measuring solution of changes in the electronic components electrical currents determined.
Für Rastersondenmikroskope, z. B. bekannt aus Appl. Phys. Lett., 62, 1993, Seiten 834-836, sind einseitig eingespannte Hebelarme als Rastersonden aus ein kristallinem Halbleitermaterial bekannt. An den am Ra stersondenmikroskop einseitig eingespannten Hebelarmen sind am jeweils freien, nicht eingespannten Ende des Hebelarms, feine Tastspitzen befestigt, die Mate rialoberflächen abtasten und dabei deren Topographie bis hin zu atomarer Auflösung detektieren. Dabei werden physikalische Wechselwirkungen zwischen der Mate rialoberfläche und der Tastspitze ausgenutzt. Die rela tiv zur Materialoberfläche bewegt wird. Die Wechselwir kung kann langreichweitig sein und zu van-der-Waals- Kräften, Kapillarkräften, magnetischen oder elektroma gnetischen Kräften führen, sie kann auch kurzreichwei tig sein und in Physi- oder Chemiesorptionskräften in elastischen oder plastischen Verformungskräften resul tieren. Jede Wechselwirkung an der Tastspitze führt zu einer Auslenkung des Hebelarms gegenüber seinem am Rastersondenmikroskop einseitig eingespannten Hebelarmende und zu einer elastischen Verbiegung des Hebelarms. Der Betrag der Auslenkung ist der an der Tastspitze angreifenden Kraft proportional und bei einer Bewegung der Tastspitze über die Materialoberflä che ortsabhängig, so daß sich aus der Hebelarmauslen kung auf die lokalspezifisch gegebene Topographiestruk tur der Materialoberfläche schließen läßt. Die Beträge der Auslenkung werden im allgemeinen digital ausgewer tet und in Datenbilder umgeformt, die es ermöglichen, die Topographie anschaulich, beispielsweise auf Bildschirmen, darzustellen.For scanning probe microscopes, e.g. B. known from Appl. Phys. Lett., 62, 1993, pages 834-836, are one-sided clamped lever arms as grid probes off crystalline semiconductor material known. To those on Ra Lever arm microscope clamped on one side are at the free, unclamped end of the Lever arms, fine probe tips attached, the mate Rial surfaces and their topography Detect down to atomic resolution. In doing so physical interactions between the mate rial surface and the probe tip. The rela tiv is moved to the material surface. The reciprocal kung can be long-range and related to van-der-Waals- Forces, capillary forces, magnetic or electroma genetic forces, it can also short range be in physical and chemical absorption forces in elastic or plastic deformation forces animals. Each Interaction at the probe tip leads to a Deflection of the lever arm relative to its on Scanning probe microscope clamped on one side Lever arm end and elastic bending of the Lever arm. The amount of deflection is that at the Probe tip attacking force proportional and at a movement of the probe tip over the material surface che depending on the location, so that from the lever arm the local topography structure can close the material surface. The amounts the deflection is generally evaluated digitally and converted into data images that enable the topography clearly, for example Screens.
Zur Messung der Auslenkung des Hebelarms ist es neben dem Elektronentunneln, der optischen Interferometrie, der Lichtstrahlablenkung oder der Messung von Kapazi tätsänderungen auch bekannt, auf dem Hebelarm selbst einen Signalgeber zu installieren, der elektrische Sig nale proportional zur Auslenkung liefert (M. Tortonese et al, "Atomic resolution with an atomic microscope using piezoresistive detection", Appl. Phys. Lett., 62; (1993), S. 834-836). Bei diesem zuletzt genannten Signalgeber wird auf einem Hebelarm aus einkristallinem Silizium als Halbleitermaterial eine elektrische Leiterbahn dotiert, die ihren Widerstand ändert, wenn bei einer Auslenkung des Hebelarms aufgrund von Zug- und Druckspannungen im Halbleitermaterial Material dehnungen verursacht werden. Für viele Anwendungs zwecke, insbesondere bei Auslenkungen der Tastspitze in der Größenordnung von 0,1 nm, sind Signalgeber mit kleiner Drift und weniger Störsignalen erforderlich.It is next to to measure the deflection of the lever arm electron tunneling, optical interferometry, light beam deflection or capacitance measurement changes of state also known on the lever arm itself to install a signal generator, the electrical Sig nale proportional to the deflection (M. Tortonese et al, "Atomic resolution with an atomic microscope using piezoresistive detection ", Appl. Phys. Lett., 62; (1993), pp. 834-836). With this last mentioned Signal generator is made of single-crystal on a lever arm Silicon as a semiconductor material is an electrical one Conductor endowed that changes its resistance when with a deflection of the lever arm due to pull and Compressive stress in the semiconductor material strains are caused. For many applications purposes, especially when the probe tip is deflected in of the order of 0.1 nm, are signal generators with small drift and fewer interference signals required.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf einkristallinem Halb leitermaterial zur Anzeige der Dehnung des Halbleiter materials einen Signalgeber mit hoher Empfindlichkeit, d. h. hohem Signalanteil bei kleinem Störgrößenanteil zu schaffen.The object of the invention is on a single-crystal half conductor material for indicating the elongation of the semiconductor materials a signal generator with high sensitivity, d. H. high signal component with a small interference component create.
Diese Aufgabe wird bei einem Dehnungsmesser der ein gangs genannten Art durch die im Patentanspruch ange gebenen Merkmale gelöst. Danach wird bei dem auf dem Halblei termaterial als Signalgeber eingesetzten MOSFET als Maß für die Dehnung des Halbleitermaterials die sich ändernde Source-Drain-Spannung bei konstantem Source-Drain-Strom als der Auslenkung des Hebelarms proportionale Größe genutzt. This task is the one with a strain gauge gangs mentioned by the claim given characteristics solved. After that, on the half lead term material used as signal generator MOSFET as a measure of the elongation of the Semiconductor material the changing Source-drain voltage with constant source-drain current as the size proportional to the deflection of the lever arm utilized.
Analog zu MOSFETs auf aus Halbleitermaterial bestehen den Hebelarmen für Rastersondenmikroskope sind MOSFETs als Sensoren zur Dehnungsmessung mit den oben genannten Vorteilen ganz allgemein geeignet und alles, was für Hebelarme erörtert wurde, gilt auch für Halbleiter dehnungsmeßstreifen.Analogous to MOSFETs made of semiconductor material The lever arms for scanning probe microscopes are MOSFETs as sensors for strain measurement with the above Advantages generally suitable and everything for Lever arms has been discussed also applies to semiconductors strain gauges.
Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nä her erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch im ein zelnen:The invention and further refinements of the invention are nä using examples ago explained. The drawing shows schematically in a individual:
Fig. 1 MOSFETs mit p-Kanal auf n-dotiertem Halbleitermaterial; Fig. 1 MOSFETs with p-channel on n-doped semiconductor material;
Fig. 2 zwei im Winkel von 90° gegeneinander versetzt angeordnete MOSFETs auf Halbleitermaterial (vergrößert dargestellter Ausschnitt II von Fig. 4); FIG. 2 shows two MOSFETs arranged on one another at an angle of 90 ° to one another on semiconductor material (enlarged section II of FIG. 4);
Fig. 3 vier MOSFETs als Wheatstonesche Brücke geschaltet; Figure 3 is switched four MOSFETs as a Wheatstone bridge.
Fig. 4 Sondenhalterung für ein Rasterkraftmikroskop mit einseitig eingespanntem Hebelarm aus Halbleitermaterial und aufgesetzten MOSFETs nach Fig. 2. Fig. 4 probe holder for an atomic force microscope with a unilaterally clamped lever arm of semiconductor material and attached MOSFETs in FIG. 2.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung auf n-dotiertem Halbleitermaterial 1 ein aufgesetzter MOSFET mit MOSFET-Kanal 2, im Ausführungsbeispiel einem p-Kanal, wiedergegeben. Ist das Halbleitermaterial im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel p-dotiert, so ist ein MOSFET mit n-Kanal zu verwenden. Die Wirkungen von MOSFETs mit p-Kanal oder n-Kanal sind hinsichtlich ihrer Verwendung als Signalgeber für Dehnungen im Halbleitermaterial analog. Es wird im folgenden deshalb für alle Ausführungsbeispiele von MOSFETs nach Fig. 1 ausgegangen, also von p-Kanal-MOSFETs auf n-dotiertem Halbleitermaterial.In Fig. 1 is a schematic representation of n-doped semiconductor material 1, a patch MOSFET with MOSFET channel 2, in the exemplary embodiment a p-channel reproduced. If, in contrast to the exemplary embodiment, the semiconductor material is p-doped, a MOSFET with an n-channel is to be used. The effects of MOSFETs with p-channel or n-channel are analogous with regard to their use as signal transmitters for strains in the semiconductor material. The following is therefore assumed for all exemplary embodiments of MOSFETs according to FIG. 1, that is to say p-channel MOSFETs on n-doped semiconductor material.
Der MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect- Transistor) ist wie üblich aufgebaut: Auf dem Halbleitermaterial 1 ist eine Metallschicht 3 aufge tragen, die im Gate-Bereich unterbrochen ist. Unter einer Gate-Elektrode 4 befindet sich eine Gate- Oxidschicht 5, und beidseits des MOSFET-Kanals 2 sind hoch-p-dotierte Halbleiterschichten 6, 7 vorgesehen, wobei die Halbleiterschicht 6 an Source, die Halbleiterschicht 7 an Drain angeordnet sind. Der MOSFET-Kanal weist eine Gate-Länge l und eine Gate- Weite w auf. Die Gate-Spannung UG ist regelbar.The MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is constructed as usual: On the semiconductor material 1 , a metal layer 3 is applied, which is interrupted in the gate area. A gate oxide layer 5 is located under a gate electrode 4 , and highly p-doped semiconductor layers 6 , 7 are provided on both sides of the MOSFET channel 2 , the semiconductor layer 6 being arranged at the source and the semiconductor layer 7 at the drain. The MOSFET channel has a gate length l and a gate width w. The gate voltage U G can be regulated.
MOSFETs verhalten sich piezoresistiv, G. Dorda, J. Appl. Physics, 42, 1971, S. 2053-2060, und aus einer Veröf fentlichung von C. Canadi et al., J. Phys. D: Appl. Phys., 12, 1979, 1973-1983, ergibt sich, daß bei einer Dehnung ∈(δl/l) des Halbleitermaterials über der Gate- Länge l bei konstanter Source-Drain-Spannung UD eine Änderung des Source-Drain-Stroms ID (δID/ID) meßbar ist. Der Source-Drain-Strom ID zeigt starke, aniso trope, piezoresistive Effekte. Der Betrag der Strom änderung δID/ID kann analog einer Widerstandsänderung eines elektrischen Widerstands bei einer Dehnung behandelt werden,MOSFETs behave piezoresistive, G. Dorda, J. Appl. Physics, 42, 1971, pp. 2053-2060, and from a publication by C. Canadi et al., J. Phys. D : Appl. Phys., 12 , 1979, 1973-1983, it follows that with an expansion D (δl / l) of the semiconductor material over the gate length l with a constant source-drain voltage U D, a change in the source-drain current I D (δI D / I D ) is measurable. The source-drain current I D shows strong, anisotropic, piezoresistive effects. The magnitude of the current change δI D / I D can be treated analogously to a change in resistance of an electrical resistance during expansion,
δID/ID = kI · ∈ (1)δI D / I D = k I · ∈ (1)
wobei der Wert kI als dimensionsloser Verstärkungs faktor für die Dehnung ∈ - größenordnungsmäßig ver gleichbar mit der dimensionslosen Größe kR bei einer elektrischen Widerstandsänderung - im Bereich zwischen ± 100 liegt. Auch die Abhängigkeit von kI von der Kristallrichtung im Halbleitermaterial beim Ladungs transport sowie von der Richtung der Dehnung relativ zur Kristallrichtung und vom Ladungsträgertyp (p-, n-dotiert) im MOSFET-Kanal entsprechen den Abhängig keiten von kR von den gleichen Parametern.where the value k I as a dimensionless gain factor for the elongation ∈ - comparable in magnitude to the dimensionless quantity k R with an electrical resistance change - is in the range between ± 100. The dependence of k I on the crystal direction in the semiconductor material during charge transport and on the direction of expansion relative to the crystal direction and on the charge carrier type (p-, n-doped) in the MOSFET channel correspond to the dependencies of k R on the same parameters.
Gegenüber den Dehnungsmessungen mit elektrischen Widerständen ist es vorteilhaft, daß mit Veränderung der Gate-Spannung UG die Dichte der Ladungsträger im MOSFET-Kanal beeinflußbar ist. Hinsichtlich seiner Meßempfindlichkeit und seiner Störungsfreiheit gegen über thermischer Drift läßt sich der MOSFET somit über UG auf einen für die erforderliche Messung optimalen Arbeitspunkt einstellen.Compared to the strain measurements with electrical resistors, it is advantageous that the density of the charge carriers in the MOSFET channel can be influenced by changing the gate voltage U G. With regard to its measuring sensitivity and its freedom from interference from thermal drift, the MOSFET can thus be set via U G to an optimum operating point for the required measurement.
Um für ein eingesetztes MOSFET eine hohe Empfindlich keit für eine Dehnung ∈ des Halbleitermaterials zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Anordnung des MOSFETs mit den gegebenen Kristallrichtungen des Halbleiter materials und der Hauptdehnungsrichtung abzustimmen. Ist die Halbleiterebene des einkristallinen Halblei termaterials in der Grenzschicht zwischen Halbleiter material 1 und Metallschicht 3 z. B. eine (001)-Kri stallfläche (z. B. bei einkristallinem Silizium), so legt man den MOSFET-Kanal vorteilhaft in eine (110)-Rich tung, und die Hauptdehnungsrichtung im Halblei termaterial parallel oder senkrecht zum MOSFET-Kanal, um einen möglichst großen Wert für kI zu erhalten. Für ,den in Fig. 1 dargestellten MOSFET mit Halbleiter material aus einkristallinem Silizium und der Aus richtung des MOSFET-Kanals in (110)-Richtung sind die kI-Werte fürIn order to achieve a high sensitivity for an expansion ∈ of the semiconductor material for a MOSFET used, it is expedient to coordinate the arrangement of the MOSFET with the given crystal directions of the semiconductor material and the main direction of expansion. Is the semiconductor level of the single-crystal semiconductor material in the boundary layer between semiconductor material 1 and metal layer 3 z. B. a (001) -Kri stall area (z. B. with single crystal silicon), it is advantageous to place the MOSFET channel in a (110) direction, and the main direction of elongation in the semiconducting term material parallel or perpendicular to the MOSFET channel, in order to obtain the greatest possible value for k I. For the MOSFET shown in Fig. 1 with semiconductor material made of single crystal silicon and the direction of the MOSFET channel in (110) direction, the k I values for
-
- parallel zum MOSFET-Kanal verlaufende Dehnungen ∈parallel:
kI/II = 102 - strains running parallel to the MOSFET channel ∈ parallel :
k I / II = 102 -
- senkrecht zum MOSFET-Kanal verlaufende Deh
nungen ∈senkrecht:
kI/I = -85,- strains perpendicular to the MOSFET channel ∈ vertical :
k I / I = -85,
wobei die Gate-Spannung UG sehr viel größer als die Einsatzspannung zu wählen ist. Bei anderen Dotierungen oder anderen Kristallflächen des Halbleitermaterials gibt es andere ausgezeichnete Richtungen für die Ausrichtung des MOSFET-Kanals.where the gate voltage UG is much larger than that Select the threshold voltage. With other endowments or other crystal surfaces of the semiconductor material there are other excellent directions for that Orientation of the MOSFET channel.
Gegenüber der Dehnungsmessung mit einem MOSFET durch Bestimmung der Veränderung des Source-Drain-Stroms ID (δID/ID) ergibt sich eine Signalverstärkung, wenn bei konstantem ID die Veränderung der Source-Drain-Spannung UD (δUD/UD) in Abhängigkeit von der Dehnung ∈ gemessen wird,In contrast to the strain measurement with a MOSFET by determining the change in the source-drain current I D (.delta.I D / I D) results in a signal amplification if at constant I D the change in the source-drain voltage V D (.DELTA.u D / U D ) is measured as a function of the strain ∈,
δUD/UD = kU · ∈ (2).δU D / U D = k U · ∈ (2).
Denn mit Ri als differenziellem Widerstand (Ri = δUD/δID) und RD als nominellem Widerstand (RD = UD/ID) des MOSFET-Kanals ergibt sich mit (1) für den Verstärkungsfaktor kU Because with R i as a differential resistor (R i = δU D / δI D ) and R D as a nominal resistor (R D = U D / I D ) of the MOSFET channel, (1) results in the gain factor k U
kU = kI · Ri/RD (3).k U = k I · R i / R D (3).
Sind beispielsweise wie bei einem Hebelarm eines Rastersondenmikroskops Auslenkung des Hebelarms zu messen, kann der zu ermittelnde Wert durch thermische Drift verfälscht werden, deren Störgröße kT am Arbeitspunkt durchIf, for example, as with a lever arm of a scanning probe microscope, deflection of the lever arm is to be measured, the value to be determined can be falsified by thermal drift, the disturbance variable k T at the operating point of
kT = δID/δT (4)k T = δI D / δT (4)
beschrieben werden kann. Eine Stromänderung durch ther mische Drift ist nicht von einer Stromänderung δID/ID infolge einer Dehnung ∈ des Halbleitermaterials zu un terscheiden.can be described. A current change due to thermal drift cannot be distinguished from a current change δI D / I D due to an expansion ∈ of the semiconductor material.
Die Temperaturabhängigkeit des Source-Drain-Stroms ist im allgemeinen etwas kleiner als die Temperaturab hängigkeit von Halbleitermaterial-Widerständen. Insbesondere läßt sich über die Gate-Spannung UG ein Arbeitspunkt besonders kleiner thermischer Drift einstellen.The temperature dependence of the source-drain current is generally somewhat smaller than the temperature dependency of semiconductor material resistors. In particular, an operating point of particularly small thermal drift can be set via the gate voltage U G.
Wird auf dem Halbleitermaterial ein MOSFET-Paar mit MOSFETs 8, 9 in der in Fig. 2 angegebenen Weise so integriert, daß der MOSFET-Kanal des MOSFETs 8 senkrecht zum MOSFET-Kanal des MOSFETs 9 ausgerichtet ist, und wird einer der MOSFET-Kanäle parallel zur Zugspannung und Hauptdehnungsrichtung des Halbleiterma terials, der andere senkrecht dazu angeordnet, so läßt sich die thermische Drift weitgehend eliminieren. Für die Differenz δID8/9 zwischen den beiden Source-Drain- Strömen ID8, ID9 in den MOSFET-Kanälen gilt nämlich bei gleichmäßiger Dehnung ∈ und gleicher Tempera turdifferenz ΔT = T - T₀ im HalbleitermaterialIf a MOSFET pair with MOSFETs 8 , 9 is integrated on the semiconductor material in the manner shown in FIG. 2 such that the MOSFET channel of the MOSFET 8 is oriented perpendicular to the MOSFET channel of the MOSFET 9 , and becomes one of the MOSFET channels parallel to the tensile stress and the main direction of elongation of the semiconductor material, the other arranged perpendicular to it, the thermal drift can be largely eliminated. For the difference δI D8 / 9 between the two source-drain currents I D8 , I D9 in the MOSFET channels applies namely with uniform expansion ∈ and the same temperature difference ΔT = T - T₀ in the semiconductor material
ID 8/9 = I°₈ [1 + kI8 · ∈ + kT8(T-T₀)]
- I°D9a [1 + kI9 · ∈ + kT9(T - T₀)] (5).I D 8/9 = I ° ₈ [1 + k I8 · ∈ + k T8 (T-T₀)]
- I ° D9a [1 + k I9 · ∈ + k T9 (T - T₀)] (5).
Stellt man somit für beide MOSFETs 8, 9 den gleichen nominellen Source-Drain-Strom ein, I°D8 = I°D9 und ist bei baugleichen MOSFETs kT8 = kT9 und die Verstärkungszahl kI8 = -k₁₉, so ergibt sich:If one sets the same nominal source-drain current for both MOSFETs 8 , 9 , I ° D8 = I ° D9 and, in the case of structurally identical MOSFETs, k T8 = k T9 and the amplification number k I8 = -k₁₉, the result is:
ID8/9 = ∈(I°D8 · kI8 + I°D9 · kI9) (6).I D8 / 9 = ∈ (I ° D8 · k I8 + I ° D9 · k I9 ) (6).
Die erste vorgenannte Bedingung, einen gleichgroßen Source-Drain-Strom in beiden MOSFETs einzustellen, ist durch entsprechendes Regeln der voneinander unabhängig einstellbaren Gate-Spannungen UG8, UG9 beider MOSFETs 8, 9 erfüllbar. Die zweite Bedingung ist bei baugleichen MOSFETs erfüllt, wenn sie so angebracht sind, daß ihre MOSFET-Kanäle in für die zu messende Dehnung gleichwertigen Kristallrichtungen der Halbleitermaterialien angeordnet werden (also beispielsweise bei einkristallinem Silizium in (110)- und (110)-Richtung). Die dritte der vorgenannten Bedingungen ist aufgrund des anisotropen Verhaltens von kI bei einer Orientierung der beiden MOSFETs 8, 9 im 90°-Winkel zueinander immer erreichbar.The first aforementioned condition, to set an equally large source-drain current in both MOSFETs, can be met by correspondingly regulating the independently adjustable gate voltages U G8 , U G9 of both MOSFETs 8 , 9 . The second condition is fulfilled in structurally identical MOSFETs if they are attached in such a way that their MOSFET channels are arranged in crystal directions of the semiconductor materials which are equivalent to the strain to be measured (for example in the case of single-crystal silicon in the (110) and (110) directions) . The third of the aforementioned conditions can always be achieved due to the anisotropic behavior of k I when the two MOSFETs 8 , 9 are oriented at a 90 ° angle to one another.
Zur Elimination additiver Störgrößen ist unter den vor genannten Bedingungen auch ein Korrelationsverfahren anwendbar. Danach wer den zur Messung von Dehnungen infolge am Halblei termaterial angreifender Druck- und Zugspannungen mit zwei MOSFETs zunächst bei unbelastetem Halbleiterma terial die Meßwertabweichungen beider MOSFETs bei einer Veränderung von Umgebungsparametern festgestellt und eine Kalibrierungsfunktion ermittelt, die anschließend bei der durchgeführten Messung zur Korrektur der angezeigten Meßwerte dient. Bei der Messung sich verändernde additive Störgrößen aus Umgebungseinflüssen werden so eliminiert.To eliminate additive disturbances is among the above conditions mentioned also a correlation method applicable. After that who for the measurement of strains due to the semi-egg compressive and tensile stresses attacking the term material two MOSFETs initially with no load on the semiconductor ma material the measured value deviations of both MOSFETs at one Change in environmental parameters determined and determined a calibration function, which then during the measurement carried out to correct the displayed measured values. When measuring yourself changing additive disturbances from environmental influences are eliminated in this way.
Steht nur ein auf dem Halbleitermaterial integrierter MOSFET als Signalgeber zur Verfügung, so läßt sich vorbeschriebene Korrelationsverfahren zur Elimination von Störgrößen auch dadurch anwenden, daß zur Ermitt lung der Kalibrierungsfunktion bei unbelastetem Halbleitermaterial die Veränderung des Source-Drain- Stroms ΔID/ID bei einer Veränderung ausschließlich von Störgrößen bei zwei verschiedenen Gate-Spannungen UGI, UGII ausgewertet wird. Von der eingestellten Gate- Spannung hängt die Inversion im MOSFET-Kanal und somit der Wert des jeweils verfügbaren Verstärkungsfaktors kI ab. Die beiden Gate-Spannungen UGI, UGII sind somit so zu wählen, daß sich die dritte für das Korrelationsverfahren erforderliche Bedingung für die Verstärkungsfaktoren kI/I und kI/II ergibt, nämlich:If only a MOSFET integrated on the semiconductor material is available as a signal generator, the above-described correlation method for eliminating disturbance variables can also be used in that the change in the source-drain current ΔI D / I D at a non-loaded semiconductor material is used to determine the calibration function Change of disturbance variables at two different gate voltages U GI , U GII is evaluated. The inversion in the MOSFET channel and thus the value of the respectively available gain factor k I depends on the set gate voltage. The two gate voltages U GI , U GII are thus to be selected such that the third condition for the gain factors k I / I and k I / II required for the correlation method results, namely:
kI/I = -kI/II.k I / I = -k I / II .
Auf diese Weise läßt sich ebenfalls eine Kalibrie rungsfunktion ermitteln, die dann zur Meßwertkorrektur herangezogen wird.A calibration can also be carried out in this way determination function, which then for measured value correction is used.
In Fig. 3 ist eine Wheatstonsche Brückenschaltung von vier eingesetzten MOSFETs 10, 11, 12, 13 wiedergege geben. Davon befinden sich mindestens zwei MOSFETs auf dem Halbleitermaterial, dessen Dehnung zu messen ist, im Ausführungsbeispiel die MOSFETs 10, 11, für die anderen beiden MOSFETs bestehen keine Anforderungen zum Piezoverhalten. Sie können beispielsweise am Halter des Hebelarms integriert sein. Die Gate-Spannung einer der vier MOSFETs, im Ausführungsbeispiel des MOSFETs 12, dient zum Nullabgleich der Brücke, das Einstellen der Gate-Spannungen der übrigen drei MOSFETs steht zur Optimierung ihrer Arbeitspunkte zur Verfügung, so daß sich unterschiedliche Fertigungstoleranzen zwischen den eingesetzten MOSFETs über eine individuell für jeden MOSFET eingestellte Gate-Spannung ausgleichen lassen.In Fig. 3 is a Wheatston bridge circuit of four MOSFETs 10 , 11 , 12 , 13 given again. There are at least two MOSFETs on the semiconductor material whose elongation is to be measured, in the exemplary embodiment the MOSFETs 10 , 11 , for the other two MOSFETs there are no requirements for piezo behavior. For example, they can be integrated on the holder of the lever arm. The gate voltage of one of the four MOSFETs, in the exemplary embodiment of MOSFET 12 , is used to zero the bridge, the setting of the gate voltages of the other three MOSFETs is available to optimize their operating points, so that there are different manufacturing tolerances between the MOSFETs used have the gate voltage set individually for each MOSFET.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von MOSFETs als Dehnungsmesser auf Halbleitermaterial ist die Mög lichkeit, das Meßsignal ID oder UD eines MOSFETs mit Hilfe einer entsprechend frequenzmodulierten Gate- Spannung UG mit einer Grundfrequenz zu überlagern und das modulierte Meßsignal in bekannter Weise mittels Lock-in-Technik zu verstärken. Die thermische Drift wird dann in der hierbei eingesetzten Verstärkerkette eliminiert.Another advantage of using MOSFETs as strain gauges on semiconductor material is the possibility of superimposing the measurement signal I D or U D of a MOSFET with the aid of an appropriately frequency-modulated gate voltage U G with a fundamental frequency and the modulated measurement signal in a known manner by means of a lock -in-technique to reinforce. The thermal drift is then eliminated in the amplifier chain used here.
Ein wichtiges Einsatzgebiet von MOSFETs auf Halblei termaterial zur Dehnungsmessung ist die Rasterson denmikroskopie. Mit Rastersondenmikroskopen läßt sich die Topographie von Oberflächen bestimmen, und Stufen und Terrassen auf der Oberfläche lassen sich bis hin zu atomarer Auflösung vermessen. Auch die Wechselwir kungsmechanismen zwischen Rastersonde und Probenober fläche werden untersucht.An important area of application of MOSFETs on semi-conductors The term material for strain measurement is the Rasterson denmicroscopy. With scanning probe microscopes determine the topography of surfaces, and levels and terraces on the surface can go all the way up measured atomic resolution. The interdependency too mechanisms between the scanning probe and the sample top areas are examined.
Bei Rasterkraftmikroskopen werden aus Halbleiterma terial gefertigte Hebelarme verwendet, deren Auslenkung infolge der Einwirkung von Oberflächenkräften beim Rastern der Oberfläche zu messen ist. Die am Raster kraftmikroskop einseitig eingespannten Hebelarme werden durch an ihrem freien Hebelarmende angreifende Ober flächenkräfte ausgelenkt. Die sich dadurch infolge von Zug- und Druckspannungen im Halbleitermaterial beim Biegen des Hebelarms ergebenden Dehnungen werden gemessen. Die Dehnungswerte sind ein Maß für die Auslenkung des Hebelarms.In atomic force microscopes, semiconductor ma Material lever arms used, their deflection due to the action of surface forces at Grid of the surface is to be measured. The one on the grid Force microscope lever arms clamped on one side by waiters attacking at their free lever arm end surface forces deflected. The result of Tensile and compressive stresses in the semiconductor material during Bending the lever arm will result in elongations measured. The elongation values are a measure of that Deflection of the lever arm.
In Fig. 4 ist schematisch eine an einem Raster kraftmikroskop ortsfest angebrachte Halterung 14 mit einseitig eingespanntem Hebelarm 15 aus einkristallinem Silizium dargestellt. Ein Ausschnitt II des Hebelarms 15 ist in Fig. 2 vergrößert wiedergegeben. FIG. 4 schematically shows a holder 14 which is fixedly attached to a scanning force microscope and has a lever arm 15 made of single-crystal silicon clamped on one side. A section II of the lever arm 15 is shown enlarged in FIG. 2.
Auf dem Hebelarm 15 sind zwei MOSFETs 8, 9 angebracht, wovon ein MOSFET mit seinem MOSFET-Kanal in Haupt dehnungsrichtung bei einer Auslenkung des Hebelarms, der andere MOSFET im Winkel von 90° dazu eingesetzt ist.On the lever arm 15 , two MOSFETs 8 , 9 are attached, of which a MOSFET with its MOSFET channel in the main direction of expansion when the lever arm is deflected, the other MOSFET being used at an angle of 90 ° thereto.
Der Hebelarm 15 weist übliche Abmessungen für Ra stersonden dieser Art auf: Hebelarmlänge L = 400 µm, Breite B = 40 µm, Stärke S = 4 µm. Entsprechend klein sind die beiden MOSFETs 8, 9 und ihre Leiterbahnen 16 auf dem Hebelarm, siehe Fig. 2. Die MOSFET-Kanal längen l und -Kanalweiten w betragen 4 µm, die Breite der Leiterbahnen 5 µm. Das Herstellen solcher Hebelarme mit integrierten MOSFETs geschieht in üblicher Weise auf einkristallinen Halbleitermaterialien mit Maskentechnik. Es werden vier Masken benötigtThe lever arm 15 has the usual dimensions for Ra stersonde of this type: lever arm length L = 400 microns, width B = 40 microns, thickness S = 4 microns. The two MOSFETs 8 , 9 and their conductor tracks 16 on the lever arm are correspondingly small, see FIG. 2. The MOSFET channel lengths l and channel widths w are 4 μm, the width of the conductor tracks 5 μm. Such lever arms with integrated MOSFETs are produced in the usual way on single-crystalline semiconductor materials with mask technology. Four masks are required
- 1. Erzeugen der p- oder n-dotierten Halbleiterschicht im Halbleitermaterial;1. Generation of the p- or n-doped semiconductor layer in the semiconductor material;
- 2. Aufbringen der Metallschicht 3 mit Leiterbahnen 16; danach Herstellen der Gate-Oxydschicht 5 und schließlich2. Application of the metal layer 3 with conductor tracks 16 ; thereafter producing the gate oxide layer 5 and finally
- 3. Herstellen der Gate-Elektrode 4 mit Leiterstrang.3. Manufacture of the gate electrode 4 with a conductor strand.
Alle Herstellungsschritte, wie Oxidation, Diffusions dotierung, Lithographie und Metallisierung sind konventionell.All manufacturing steps, such as oxidation, diffusion doping, lithography and metallization conventional.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind aus Her stellungsgründen die MOSFETs auf der gleichen Hebel armseite aufgebracht, auf der sich auch eine Sonden spitze 17 für das Abtasten der Probenoberfläche der Rasterkraftmikroskopie befindet. Die Lage der relativ zu den Abmessungen des Hebelarms nur sehr kleinen Sondenspitze 17 ist auf dem Hebelarm 15 in Fig. 4 nur schematisch angedeutet.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, for reasons of position, the MOSFETs are applied to the same lever arm side, on which there is also a probe tip 17 for scanning the sample surface of atomic force microscopy. The position of the probe tip 17, which is only very small relative to the dimensions of the lever arm, is only indicated schematically on the lever arm 15 in FIG. 4.
MOSFETs auf Halbleitermaterial sind zur Dehnungsmessung nicht nur auf Hebelarmen von Rastersondenmikroskopen einsetzbar. Sie lassen sich ganz allgemein auf Halbleiter-Dehnmeßstreifen (Halbleiter-DMS) zur Er mittlung der Dehnung des Halbleitermaterials bzw. des Materials anbringen, auf dem der Halbleiter-DMS auf gesetzt ist. Die Art, in welcher Weise MOSFETs auf Halbleiter-DMS anzubringen sind, entspricht den vor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es lassen sich ein oder mehrere MOSFETs auf dem Halbleiter-DMS integrie ren, wobei die MOSFET-Kanäle in ausgewählten kristal lographischen Richtungen auf den n- oder p-dotierten Halbleitermaterialien angeordnet sind. Bei einkri stallinem Silizium werden die MOSFET-Kanäle bevorzugt in Richtung der (001)- oder (110)-Ebenen ausgerichtet.MOSFETs on semiconductor material are used for strain measurement not only on lever arms of scanning probe microscopes applicable. They can be generalized Semiconductor strain gauges (semiconductor strain gauges) for Er averaging the elongation of the semiconductor material or Attach material on which the semiconductor strain gauge is based is set. The way in which MOSFETs Semiconductor strain gauges to be installed correspond to the previous ones described embodiments. You can get involved or more MOSFETs on the semiconductor strain gauge ren, the MOSFET channels in selected crystalline lographic directions on the n- or p-doped Semiconductor materials are arranged. With einkri stable silicon, the MOSFET channels are preferred aligned in the direction of the (001) or (110) planes.
Neben einkristallinem Silicium als Halbleitermaterial sind auch Germanium oder III/V-Halbleiter beliebiger Orientierung geeignet.In addition to single-crystal silicon as a semiconductor material Germanium or III / V semiconductors are also more arbitrary Suitable for orientation.
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