JPH11304825A - 半導体歪センサおよびその製造方法ならびに走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

半導体歪センサおよびその製造方法ならびに走査型プローブ顕微鏡

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JPH11304825A
JPH11304825A JP10252972A JP25297298A JPH11304825A JP H11304825 A JPH11304825 A JP H11304825A JP 10252972 A JP10252972 A JP 10252972A JP 25297298 A JP25297298 A JP 25297298A JP H11304825 A JPH11304825 A JP H11304825A
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JP
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semiconductor
probe
region
junction
strain sensor
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Application number
JP10252972A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Takahashi
寛 高橋
Ｄｅｓｐｏｎｔ Ｍｉｃｈｅｌ
Despont Michel
Nobuhiro Shimizu
信宏 清水
Yoshiharu Shirakawabe
喜春 白川部
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G01Q20/04—Self-detecting probes, i.e. wherein the probe itself generates a signal representative of its position, e.g. piezoelectric gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板で構成したプローブの撓み部分に
半導体接合であるｐｎ接合又はバイポーラトランジスタ
を形成し、プローブの撓み量を感度良く検出できるよう
にした半導体歪センサを提供する。 【解決手段】 プローブ１０は、片持ばりアーム部１０
ａおよび支持部１０ｂによって構成され、片持ばりアー
ム部１０ａの先端１０ｃには探針が設けられている。ア
ーム部10aの根元部分の表面近くに半導体接合９が形成
される。半導体接合としては、ｐｎ接合、またバイポー
ラトランジスタを設ける。検出感度を上げるために、片
持ばり半導体接合９に対して定常的に応力を加える薄膜
８（絶縁膜４０）を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体歪センサお
よびその製造方法ならびに走査型プローブ顕微鏡に係
り、特に半導体基板で構成したプローブの撓み部分に半
導体接合を形成し、プローブの撓み量を半導体接合部分
での電流-電圧特性の変化として検出できるようにした
半導体歪センサにおいて、予めプローブに応力歪を与え
ておくことで検出感度を向上させた半導体歪センサおよ
びその製造方法ならびに走査プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）
では、探針がプローブの自由端に取り付けられ、試料表
面の凹凸に応じて探針が上下動する際に生ずるプローブ
ーの撓み量は、光学インターフェロメトリや光学偏光技
術によって検出されていた。しかしながら、これらの光
学的な検出方法では構成が複雑化して調整も難しいとい
う問題があった。一方、近年になって撓み量や加速度を
検出するセンサとして、小型、軽量であり、撓み量を電
気信号として直接出力し得る特徴を持った半導体歪セン
サが広く用いられるようになり、これがＳＰＭのプロー
ブにも採用されるようになってきた。
【０００３】このようなプローブ型半導体歪センサは、
例えば図２６に示されているように、半導体基板の一部
２を「コの字」形に選択蝕刻して形成された自由端１ａ
を有する片持ばりアーム部（梁部）１と、片持ばりアー
ム部１の固定端近傍（根元）に形成されたゲージ部３と
により構成され、ゲージ部３は、自由端１ａの撓み量に
応じて当該部分に生じる応力歪を検出し、これを電気信
号に変換して出力する。
【０００４】従来の半導体歪センサでは、例えば特開平
５−１９６４５８号公報記載されているように、ゲージ
部３がピエゾ抵抗体で構成されていた。ピエゾ抵抗体は
応力が加わると電気抵抗が変化することから、撓み量の
検出は、ピエゾ抵抗体の抵抗変化をホイートストンブリ
ッジ等の抵抗ブリッジ回路で測定することによって行わ
れていた。
【０００５】しかしながら、プローブの撓み量をピエゾ
抵抗体に加わる応力歪として検出しようとすると、ピエ
ゾ抵抗体では歪量に対する抵抗変化率、換言すれば電圧
あるいは電流変化率が小さく、かつ感度が低いので、そ
の検出のためには複雑な抵抗ブリッジ回路が必要になる
のみならず、抵抗ブリッジを構成する各抵抗体の調整を
極めて正確に行わなければならないという問題点があっ
た。
【０００６】このような問題点を解決するために、本出
願人は、自由端の変位によって応力歪が生じる領域に半
導体接合の一つであるｐｎ接合を形成し、プローブの撓
み量をｐｎ接合の電気的特性（ダイオード特性）の変化
として検出する半導体歪センサを発明して先に出願した
（特願平９−４４３７２号公報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】プローブの撓み量を半
導体接合の電流-電圧特性の変化を検出する半導体歪セ
ンサでは、撓み量をピエゾ抵抗体の抵抗変化として検出
する従来の半導体歪センサに比べて検出感度が大幅に向
上する。しかしながら、撓み量に対するダイオード特性
の変化率は、撓み量（応力歪）が大きい領域ほど大きく
なるので、撓み量が小さいと十分な検出感度を得られな
いという問題があった。
【０００８】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、プローブの撓み量を簡単な構成で、かつ大
きな信号変化として出力する半導体歪センサおよびその
製造方法、ならびに当該半導体歪センサをプローブとし
て採用した走査プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、以下のような手段を講じた。 (1) 本発明の半導体歪センサは、自由端および固定端
を有するプローブと、自由端の変位によって応力歪が生
じる領域に形成された半導体接合と、前記自由端の変位
によって応力歪が生じる領域に定常的に応力歪が生じる
ように、前記プローブの少なくとも一方の主表面に形成
された薄膜とによって構成される。
【００１０】(2) 本発明の半導体歪センサの製造方法
は、第１導電型の半導体基板を蝕刻して自由端および固
定端を有するプローブを形成する工程と、前記自由端の
変位によって応力歪が生じる領域が露出するようにマス
クを形成する工程と、前記露出部分の表面に第２導電型
の不純物を導入し、前記応力歪が生じる領域に半導体接
合を形成する工程と、前記自由端の変位によって応力歪
が生じる領域に定常的に応力歪が生じるように、前記プ
ローブの少なくとも一方の主表面に薄膜を形成する工程
とから成る。
【００１１】(3) 本発明のプローブは、自由端の変位
によって応力歪が生じる領域に半導体接合が形成され、
その応力歪が生じる領域に定常的に応力歪が生じるよう
に、前記プローブの少なくとも一方の主表面に薄膜が形
成された片持ばり式の半導体歪センサを走査プローブと
して用いた。半導体接合としては、ｐｎ接合とバイポー
ラトランジスタを用いた。
【００１２】上記した構成(1) によれば、プローブの自
由端が変位することによって応力歪が生じる領域には、
自由端の変位とは無関係に定常的に応力歪が発生してお
り、プローブの自由端が撓むと半導体接合部分に更に大
きな応力歪が発生するので、当該半導体接合の電気的特
性を大きく変化させることができる。
【００１３】上記した構成(2) によれば、自由端の変位
によって応力歪が生じる領域に半導体接合が形成されて
おり、当該領域に定常的に応力歪が生じている片持ばり
式の半導体歪センサを製造できる。上記した構成(3) に
よれば、プローブの歪み量を半導体接合の電気的特性の
大きな変化としてとらえることができるので、試料の表
面形状を高感度で観察できるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は本発明のプローブの概略構造を示
す斜視図である。プローブ10は、自由端であるアーム部
10aと、アーム部先端にある探針10cと、アーム部を保
持、固定する支持部10bと、半導体接合９と、少なくと
も半導体接合９を含む領域に設けた薄膜８とからなって
いる。半導体接合９はアーム部10aの撓みがつけ根の部
分に集中するので、少なくともアーム部10aと支持部10b
の境界を含む領域に設置することが好ましい。薄膜8は
半導体接合9に歪み（ストレス）を予め与える機能をす
る。ストレスが圧縮応力の場合には、アーム10aが図1の
下側に撓むため、試料観察時に探針10cの向きが試料に
対して垂直に近くなり、高精度な観察ができるので好ま
しい。試料観察には、探針１０ｃを設けずにアーム部10
aの先端部分でも可能であるが、分解能は探針10cの先端
径によるところが大きいため、高分解能を得るには、探
針１０ｃを設けたほうがよい。高精度、高分解能を得る
ためには、探針１０ｃを観察試料の凹凸よりも高く、先
端径を小さくすることが好ましい。アーム部10aの形状
は、図1の矩形に近いもの、図７から図１３に示すＵ字
型等いろいろな形状があり、用途や特性に応じて設計可
能である。
【００１５】図２(a) は、本発明の第１実施例であるプ
ローブ型半導体歪センサの平面図であり、図２(b) は図
２(a) のＡ−A'線に沿った断面図である。半導体接合９
としてｐｎ接合を用いている。本実施例では、プローブ
１０はＮ型基板３１によって構成され、その内側表面に
はＰ-拡散領域３２が形成されている。
【００１６】Ｐ-拡散領域３２とＮ型基板３１との境界
にはｐｎ接合５０が形成されるため、本実施例では、片
持ばりアーム部１０ａの内側にｐｎ接合５０が形成され
ることになる。支持部10bでは、Ｎ型基板領域内にはＮ+
コンタクト領域２１が形成され、Ｐ-拡散領域３２内に
はＰ+コンタクト領域２２が形成されている。
【００１７】Ｎ型基板３１の表面には、特に片持ばりア
ーム部１０ａに対して定常的に応力を加えるための薄膜
８として、例えばＳｉＯ2 膜あるいはＳｉ3 Ｎ4 膜等の
絶縁膜４０が積層されている。絶縁膜４０は、定常的に
生じる応力歪が１×１０9 Pa（１×１０10 dyn/cm2 ）
程度となるように形成することが望ましい。また、絶縁
膜４０はＮ型基板３１の全表面に形成する必要はなく、
ｐｎ接合５０に応力歪を生じさせることができるのであ
れば、例えば片持ばりアーム部１０ａの表面のみに形成
しても良い。
【００１８】このような構成において、探針が試料表面
で走査されると、プローブ１０の片持ばりアーム部１０
ａは支持部１０ｂを支点として試料の表面形状に応じて
撓むため、アーム部１０ａに形成されたｐｎ接合５０に
応力歪が生じる。図３は、応力歪によってｐｎ接合のダ
イオード特性が変化する様子を示した図の一例である。
ｐｎ接合に応力歪が生じると電流-電圧特性が変化する
ことが判る。各変化はｐｎ接合の構造や形状等により変
わるため、一通りではない。
【００１９】また、図４(a),(b)は、それぞれｐｎ接合
の電流変化量−歪量特性、および電圧変化量−歪量特性
を、ピエゾ抵抗体の変化量と比較して示した図であり、
歪量に対する電流Ｉ，電圧Ｖの変化量は、ｐｎ接合の方
がピエゾ抵抗体よりも１×１０9 Pa程度の歪み量を超え
ると大きくなる。
【００２０】本実施例では薄膜８（絶縁膜４０）によ
り、ｐｎ接合５０に定常的な応力歪が生じているので、
ｐｎ接合５０でそれぞれの応力歪が重畳され、薄膜８が
形成されていない場合よりも大きな応力歪が生じること
になる。したがって、薄膜８を形成することによって予
めｐｎ接合５０に応力歪を生じさせておき、片持ばりア
ーム部１０ａが試料の表面形状に応じて撓むことで応力
歪が重畳されるようにすれば、片持ばりアーム部１０ａ
の撓み量に対する電圧、電流変化は、薄膜８が形成され
ていない場合に較べて大きくなる。
【００２１】図５(a) は、本発明の第２実施例であるプ
ローブ型半導体歪センサの平面図であり、図５(b) は図
５(a) のＣ−Ｃ' 線に沿った断面図である。本実施例で
は、第1実施例に対して、P+コンタクト領域２２をＰ−
領域３２の中央部に設けている。歪みによる電気的な変
化をｐｎ接合部のごく近くで検出できるので、より高精
度な検出が可能になる。またｐｎ接合は一般にP-で製作
するが、P-領域を高濃度のドーピングでP+領域にした場
合は、P+領域２２はいらなくなり、構造がより簡単にな
る。
【００２２】図６は、前記図２の半導体歪センサの製造
方法を示した工程順の断面図であり、図６(ｉ)は図２の
Ｂ−Ｂ'線に沿った断面の構造を示している。初めに、
Ｎ型半導体基板３１を図２のプローブ形状に蝕刻し、そ
の一方の全表面にレジスト８１を塗布する。次いで、公
知のフォトレジスト技術を利用して前記図１のＰ- 領域
３２に相当する部分のレジストのみを選択的に除去して
マスクを形成し、その表面からＰ型不純物（例えば、ボ
ロン）をイオン打ち込みし［図６(a) ］、さらに熱拡散
を行ってＰ-領域３２を形成する［図6(b) ］。
【００２３】次いで、再び全面にレジスト８２を塗布
し、コンタクト領域２２に相当する部分を開口する。次
いで、Ｐ型不純物をイオン打ち込みし［図６(c) ］、こ
れを拡散させてＰ+コンタクト領域２２を形成する［図
６(d) ］。次いで、再び全面にレジスト８３を塗布した
後にコンタクト領域２１に相当する部分を開口し、前記
と同様にして今度はＮ型不純物（例えば、リン）をイオ
ン打ち込みし［図６(e)］、Ｎ+コンタクト領域２１を形
成する［図６(f) ］。
【００２４】次いで、全面に層間絶縁膜８４を形成し、
各コンタクト領域２１，２２を露出させて配線電極９１
を接続［図６(g) ］した後、前記ｐｎ接合部分に定常的
に応力歪を生じさせるための絶縁膜４０ａを表面に形成
する［図６(h) ］。配線電極９１には、Al，W，Ti，T
a，Cr等の抵抗率の低い金属材料が使われる。なお、本
実施例では基板表面に絶縁膜４０（４０ａ）を形成して
いるが、基板裏面に絶縁膜４０（４０ｂ）を形成する
［図６(i) ］ようにしても良い。また層間絶縁膜８４に
ストレスを持たせて絶縁膜４０の代わりにすることも可
能である。この場合絶縁膜40をなくすこともできる。ま
た配線電極９１にストレスのあるものを使うことでも半
導体接合部に応力を与えることができ、薄膜８の代用が
可能である。つまり薄膜８は半導体接合９に応力を与
え、半導体接合９の電気特性にショート等の悪影響を及
ぼさなければ、絶縁膜以外にもどのような材質でも可能
である。
【００２５】ここまでプローブのアーム形状が矩形のも
のを示してきたが、図7から図13はアームがU字形のもの
について説明する。半導体接合部を主に説明し、プロー
ブの概略を示す。U字形のものは矩形に比べ、外形寸法
が同じ場合、次のような二つの特徴がある。一つはアー
ムの実質的な幅が小さくなるため、ばね定数が小さくな
る。もう一つは、アームを振動させて使用する場合、中
央部が空洞になるので、空気の抵抗が小さくなり、より
精度の高い観察ができる。
【００２６】図７は、本発明の第３実施例である。プロ
ーブ１０のアーム部10aと半導体接合９のｐｎ接合を主
に示しており、探針１０ｃは省略している。図7(a)は平
面図であり、図7(b) は図7(a) のＤ−Ｄ'線での断面図
でる。アーム部１０aに沿ってｐｎ接合５０が設けられ
ており、アーム部すべての歪みを検出できるようになっ
ている。
【００２７】図８は、本発明の第４実施例である。図8
(a)はプローブの平面図、図８(b) は同図(a) のＥ−Ｅ'
線に沿った断面図であり、前記と同一の符号は同一また
は同等部分を表している。本実施例は、Ｐ-領域３２を
実質的にアーム部１０aの表面全体に形成するようにし
た点に特徴がある。すなわち、上記した第３実施例で
は、ｐｎ接合５０をプローブ１０の表面の一部のみに形
成したためにｐｎ接合の面積が比較的小さい。このた
め、リーク電流は少なくできる反面、高い感度は得にく
い。しかし、第４実施例では、ｐｎ接合５０がプローブ
１０の全面に形成されているため、リーク電流は前記第
３実施例に比べて若干多くなるが高い感度が得られる。
【００２８】次いで、図９から図１３を参照して本発明
のさらに他の実施例について説明する。なお、各図では
図示していないが、いずれの実施例でも基板の表面また
は裏面には、ｐｎ接合に定常的に応力歪を生じさせるた
めの前記絶縁膜４０が形成されている。図９は、本発明
の第５実施例の平面図であり、前記と同一の符号は同一
または同等部分を表している。本実施例は、ｐｎ接合が
プローブ１０の端面に露出しないように、Ｐ〓領域３２
をプローブ１０の中央部に帯状に設けるようにした点に
特徴がある。一般に、リーク電流はｐｎ接合の端面近傍
で生じるが、本実施例によれば、ｐｎ接合５０がプロー
ブ１０の端面に露出していないので、製造工程は多少繁
雑化するがリーク電流を抑えながら高い感度が得れられ
る。
【００２９】図１０は、本発明の第６実施例の平面図で
あり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表して
いる。本実施例は、プローブ１０が撓んだ時にＵ字状部
の全体は歪まず、歪量は片持ばりアーム部１０ａと支持
部１０ｂとの境界部分すなわちプローブ１０の付根部分
が最も大きくなり、それ以外の部分では小さいことに着
目してなされたものである。
【００３０】本実施例は、図示したように、Ｐ-領域３
２を、プローブ１０が撓んだときに歪量が最も大きくな
る前記付根部分のみに形成するようにした点に特徴があ
る。本実施例によれば、歪量の検出に寄与しない部分に
はｐｎ接合が形成されないので、リーク電流を抑えなが
ら高い感度が得れられるようになる。図１１は、本発明
の第７実施例の平面図であり、前記と同一の符号は同一
または同等部分を表している。本実施例は前記第６実施
例と同様に、アーム部10aの付根部分のみにＰ-拡散領域
３２を形成すると共に、リーク電流を低減するために、
Ｐ-拡散領域３２をプローブ１０の中央部に帯状に設け
た点に特徴がある。
【００３１】図１２，１３は、本発明の第８，９実施例
の平面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部
分を表している。各実施例は、それぞれ前記第６，７実
施例のＰ-拡散領域３２を、前記付け根部分の一方のみ
に形成するようにした点に特徴がある。これらの実施例
によれば、検出感度が若干低下するもののリーク電流を
大幅に低減できる。
【００３２】第3実施例から第7実施例（図7−図１１）
はアーム部10aの両端に設けたｐｎ接合から差の信号を
取り出せば、アームの捻れ量を検出することも可能であ
る。
【００３３】なお、上記した各実施例では、Ｎ型基板内
３１にＰ-拡散領域３２を形成してｐｎ接合を得るもの
として説明したが、これとは逆に、Ｐ型基板内にＮ-領
域を形成することでもｐｎ接合を製作できる。すなわち
ＰとＮを入れ替えてもｐｎ接合が製作できるため、本発
明の実施例となる。ここで図９、図１１及び図１３説明
した実施例では、ｐｎ接合がプローブ１０の端面に露出
しないようにするために、ｐｎ接合のＰ-拡散領域３２
をカンチレバーの両端部から離して形成している。この
場合、ｐｎ接合に逆バイアスを印加すると、図１４に示
すように空乏層５１が発生し、基板端部に迄達すること
がある。これが原因で、リーク電流が増大して測定感度
が低下してしまうという新たな問題が生じる。そこで、
次に説明する本発明の各実施例では、このような空乏層
の広がりを防止するガードを設けて、リーク電流の増加
を抑えている。なお、図１４は図９のＦ−Ｆ'線に沿っ
た断面図である。
【００３４】図１５は、本発明の第１０実施例である。
図15(a)は平面図で、図15(b)、（ｃ）は図15(a)のＧ−
Ｇ'線に沿った断面図であり、特に、アーム部10aのセン
サ部を拡大して示している。本実施例では、図15(a) よ
り、pn接合５０がＰ-領域３２をアーム部10aの中央に帯
状に設けて、Ｐ-領域３２がアーム部10aの両端面に露出
しないようにした。アーム部10aの両端とＰ-領域３２と
の間にで露出したＮ型基板３１の表面に、空乏層の広が
りを阻止するためのＮ+ガード層６１を設けた。なお、
Ｐ-領域３２およびＮ+ガード層６１の表面には、それぞ
れコンタクト電極３２ｃ、６１ｃが形成されている。こ
こでコンタクト電極は図６の配線電極９１と同じ機能を
し、同様の材質で製作可能である。
【００３５】このような構成によれば、Ｐ-領域３２と
Ｎ型基板３１との間に逆バイアスが印加されてｐｎ接合
部分に空乏層が発生しても、その横方向への広がりはＮ
+ガード層６１によって阻止され、空乏層がアーム部10a
の端部に達することを阻止できる。その結果、リーク電
流の増加が抑えられ、測定中のノイズが低減できる。な
お、前記Ｎ+ガード層６１は、図１５(b) に示したよう
に、Ｎ型基板３１の表面のみに形成しても良いし、ある
いは図１５(c) に示したように、基板内部で連続してＰ
-領域３２を包み込むように形成しても良い。
【００３６】図１６は、本発明の第１１実施例である。
図1６(a)は平面図で、図1６(b)、（ｃ）は図1６(a)のＨ
−Ｈ'線に沿った断面図である。前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。本実施例では、図１６
(a) に示すように、Ｐ-領域３２をアーム部10aの中央に
帯状に設けて、ｐｎ接合がアーム部10aの両端面に露出
しないようにした。またＰ-領域３２を囲むようにＮ+ガ
ード層６２を設けた。Ｐ-領域３２およびＮ+ガード層６
２の表面には、それぞれコンタクト電極３２ｃと６２ｃ
が形成されている。
【００３７】本実施例でも、空乏層の横方向への広がり
はＮ+ガード層６２によって阻止され、アーム部10aの端
部にまで達成することがないので、リーク電流の増加が
抑えられ、測定時のノイズを低減できる。なお、前記Ｎ
+ガード層６２も、図１６(b) に示したように、Ｎ型基
板３１の表面のみに形成しても良いし、あるいは図１６
(c) に示したように、基板内部で連続してＰ-領域３２
を包み込むように形成しても良い。
【００３８】図１７は、本発明の第１２実施例である。
図1７(a)は平面図で、図1７(b)、（ｃ）は図1７(a)のＩ
−Ｉ'線に沿った断面図である。前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。本実施例では、図１７
(a) に示したように、Ｐ-領域３２をアーム部10aの中央
に設けてｐｎ接合がアーム部10aの両端面に露出しない
ようにした。Ｐ-領域３２を三方から囲むようにＮ+ガー
ド層６３を設けた点に特徴がある。Ｐ-領域３２および
Ｎ+ガード層６３の表面には、それぞれコンタクト電極
３２ｃ、６３ｃが形成されている。
【００３９】本実施例でも、空乏層の横方向への広がり
はＮ+ガード層６３によって阻止され、アーム部１０aの
端部にまで達成することがないので、リーク電流の増加
が抑えられ、測定時のノイズを低減できる。なお、前記
Ｎ+ガード層６３も、同図(b) に示したように、Ｎ型基
板３１の表面のみに形成しても良いし、あるいは同図
(c) に示したように、基板内部で連続してＰ-領域３２
を包み込むように形成しても良い。
【００４０】ガードを設ける場合は、ガードなしの場合
に比べ、幅が広くなるため、アーム部10aの幅も広くな
る。そのためプローブの形状は、矩形の方がU時型より
も容易に製作できる。図１８は、矩形のレバー部に図17
(a)のpn接合センサーを製作した場合の例を示す。
【００４１】次に、アームの撓み部分に半導体接合９と
してバイポーラトランジスタを使った場合について説明
する。図１９で概要を説明する。具体的な実施例は第１
３実施例から第15実施例で説明する。図１９(a)は斜視
図、図19(b)は図１９(a)のJ−J'線に沿った断面図を示
す。バイポーラトランジスタは、ｐｎ接合を含むため、
基本的な動作原理はｐｎ接合と同じであるが、増幅作用
を持つため、感度はｐｎ接合に比べ大きくなる。
【００４２】図１９(a)に示すように、プローブ１０
は、片持ばりアーム部１０ａとその支持部１０ｂから構
成されている。該片持ばりアーム部１０ａの先端にはＳ
ＰＭ用の探針１０ｃが設けられ、片持ばりアーム部１０
ａとその支持部１０ｂの境界を含むプローブの撓み部分
には、バイポーラトランジスタ１０２が形成されてい
る。また、該支持部１０ｂの表面上には、該バイポーラ
トランジスタ１０２のベース（Ｂ）、エミッタ（Ｅ）、
およびコレクタ（Ｃ）に電気的に接続された配線１０
３、１０４、および１０５が形成されている。
【００４３】また、プローブ１０は、図19(ｂ)に示され
ているように、上から順に、面方位が（１１１）面のＳ
ｉ（シリコン）の活性層１１１と、ＳｉＯ2 の中間層１
１２と、面方位が（１００）のＳｉのベース層１１３と
から構成された基板で製作する。前記バイポーラトラン
ジスタ１０２は活性層１１１の中に製作し、活性層の中
間よりもできるだけ浅い部分設けるほど感度が大きくな
る。バイポーラトランジスタの特性は、Ｓｉ（１１１）
面に製作した方が良くなる。またSi(111)面は、探針１
０cの先端を先鋭化する時にも容易である。従って活性
層１１１は(100)面でも製作可能であるが、バイポーラ
トランジスタの場合には、（１１１）面を使用すること
が好ましい。ベース層１１３は、ＫＯＨ溶液を使用して
形成する場合、エッチング後の形状を図１９（ｂ）の様
に加工しやすいので、（１００）面であることが好まし
い。
【００４４】また、図示は一部省略されているが、前記
第１実施例等と同様に、プローブ１０の表面には、例え
ば、ＳｉＯ2 膜やＳｉ3 Ｎ4 膜等の絶縁膜40（薄膜８）
が積層されている。この絶縁膜は、アーム部１０ａに定
常的に加える作用をし、探針のある方とは反対に反る応
力になる方が測定上好ましい。また応力歪が１×１０ 9
Ｐａ（１×１０10 dyn/cm2） 程度となるようにするの
が望ましい。なお、該絶縁膜は、プローブ１０の表面全
体に形成する必要はなく、例えば片持ばりアーム部１０
ａの表面のみ、あるいはバイポーラトランジスタ１０２
の表面のみに形成するようにしても良い。このように、
プローブ１０に予めバイアスとなる応力を加えておくこ
とにより、該プローブ１０の高感度が可能となる。なお
これ以降の説明では、絶縁間膜４０（薄膜８）は省略す
る。
【００４５】本発明の第１３実施例を図20(a)，(b)を参
照して、前記バイポーラトランジスタ１０２の具体例を
説明する。図２０はＮＰＮ型の例である。図20(a)は図
１９(a)のバイポーラトランジスタ１０２の平面図であ
り、図20(b)は図２０(a)のＫ−Ｋ'線に沿った断面図で
ある。バイポーラトランジスタ１０２は一般的な構造と
して図示されているように、ｐ型基板の上に形成され、
各電極はコレクタＣ、エミッタＥ、およびベースＢの3
つの電極からなっている。なお、該バイポーラトランジ
スタ１０２の製造方法は既知であるので説明を省略す
る。
【００４６】図２１はベース電流を一定にした時の前記
バイポーラトランジスタ１０２の歪みに対する電流変化
特性である。横軸は歪量（Pa）、縦軸はコレクタ電流の
変化である。この特性図から、バイポーラトランジスタ
１０２はある歪量を超えると、歪みに対するコレクタ電
流の変化が大きく変わり、良好な感度を示すことが分か
る。この特性はｐｎ接合と同様の特性である。
【００４７】図２２は、バイポーラトランジスタを使っ
たプローブ１０を実際のＳＰＭ計測に使用するときの検
出回路の一例を示す。１１０は増幅回路である。図２５
の測定部７１の一部である。通常のトランジスタの増幅
回路と同様であり、歪み信号の検出は容易である。この
回路構成は、歪みによるバイアス電流の変化を、コレク
タ電流の変化として検出する例である。これ以外にも、
検出回路の構成は、色々な方式が可能である。
【００４８】前記した実施例では、ＮＰＮバイポーラト
ランジスタを例に上げて説明したが、図２３、図２４に
示すＰＮＰバイポーラトランジスタを用いても、同様の
感度を得ることができる。図２３(a) は、本発明の第１
４実施例であるＰＮＰトランジスタの平面図であり、図
２３（ｂ）は図２３(a)のL−Ｌ'線に沿った断面図であ
る。
【００４９】図２４(a)は、本発明の第１５実施例であ
る横型ＰＮＰトランジスタの平面図である。図２４
（ｂ）は図２４(a)のＭ−Ｍ'線に沿った断面図である。
これらのトランジスタは既知であるので、説明を省略す
る。
【００５０】なお、上記した各実施例では、応力歪を定
常的に生じさせるための薄膜が絶縁膜４０であるものと
して説明したが、本発明はこれのみに限定されるもので
はなく、応力歪とは無関係に基板表面に予め絶縁膜を形
成し、その表面に形成するのであれば、応力歪を定常的
に生じさせるための薄膜は、導電膜や半導体膜であって
も良い。
【００５１】さらに、上記した各実施例では、応力歪を
定常的に生じさせるための薄膜がプローブ１０の一方の
主表面のみに形成されるものとして説明したが、本発明
はこれのみに限定されず、プローブ１０の両面に形成し
ても良い。図２５は、本発明を適用した走査型プローブ
顕微鏡の構成を示したブロック図である。３次元試料ス
テージ５５上には試料５２が載置され、試料５２の上方
には、上記した構成のプローブ１０の探針１０ｃが対向
配置される。プローブ１０に形成された半導体接合９か
らの出力は測定部７１で検出され、撓み量信号Ｓ１とし
て差動アンプ７５の非反転入力端子（＋）に入力され
る。
【００５２】差動アンプ７５の反転入力端子（−）に
は、例えば撓み量が０の時に差動増幅器７５の出力が０
になるように、プローブ１０の撓み量に関する基準値が
基準値発生部７９から入力されている。差動アンプ７５
から出力される誤差信号Ｓ２は制御部７６に入力され
る。制御部７６は、誤差信号Ｓ２が０に近付くようにア
クチュエータ駆動増幅器７０を制御する。また、制御部
７６の出力信号が輝度信号としてＣＲＴへ供給される。
走査信号発生部７８は、試料５２をＸＹ方向へ微動させ
るための微動信号をアクチュエータ駆動増幅器７０へ供
給し、ＣＲＴへはラスタ走査信号を供給する。
【００５３】
【発明の効果】上記したように、本発明によれば、以下
のような効果が達成される。 （１） 歪量に応じて電気的特性が敏感に変化する半導
体接合をプローブに設け、プローブの撓み量を半導体接
合の電気的特性の変化として検出できるようにした。ま
たプローブが撓むと応力歪が生じる半導体接合領域に定
常的に応力歪が生じるように、プローブの一方の主表面
に薄膜（絶縁間膜）を形成した。これらの結果、プロー
ブの撓み量に対する感度が向上する。
【００５４】（２） 半導体接合がｐｎ接合の場合、ｐ
ｎ接合近傍に発生する空乏層が、アーム部の端部に迄達
しないように、ガード層をｐｎ接合とアーム部端部との
間に設けた。その結果、リーク電流の増加が抑えられ、
測定時のノイズを低減できる。 （３） また、プローブの撓み領域に半導体接合として
バイポーラトランジスタを形成し、該プローブの一方の
主表面に定常応力をかける薄膜（絶縁膜）を形成した。
バイポーラトランジスタの増幅作用により、ｐｎ接合に
比べてさらに高感度化が可能である。
【００５５】（４） 定常応力をかける薄膜（絶縁膜）
によりアーム部が探針のある面と逆にそることで、探針
と試料の角度が垂直に近くなるので、ＳＰＭ測定におい
てより高精度化が可能となる。 （５） 本発明の半導体歪センサを走査型プローブ顕微
鏡のプローブとして用いれば、プローブの歪み量として
検出される試料の表面形状を半導体接合の電気的特性の
変化としてとらえることができるので、試料の表面形状
を高感度で観察できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概略の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す。(a)は平面図であ
り、(b)は(a)のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。
【図３】ｐｎ接合の歪みによる電流-電圧特性の変化を
示した図である。
【図４】ｐｎ接合の電流変化量−歪量特性と、電圧変化
量−歪量特性をピエゾ抵抗体と比較した図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す。(a)は平面図であ
り、（ｂ）は(a)のＣ−Ｃ'線に沿った断面図である。
【図６】図２の製造方法を工程順に示した断面図であ
る。
【図７】本発明の第３実施例示す。(a)は平面図であ
り、（ｂ）は(a)のＤ−Ｄ'線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第４実施例示す。(a)は平面図であ
り、（ｂ）は(a)のＥ−Ｅ'線に沿った断面図である。
【図９】本発明の第５実施例の平面図である。
【図１０】本発明の第６実施例の平面図である。
【図１１】本発明の第７実施例の平面図である。
【図１２】本発明の第８実施例の平面図である。
【図１３】本発明の第９実施例の平面図である。
【図１４】ｐｎ接合近傍に生じる空乏層の様子を、図９
のＦ−Ｆ'線に沿った断面図である。
【図１５】本発明の第１０実施例示す。(a)は平面図で
あり、（ｂ）及び(c)は(a)のＧ−Ｇ'線に沿った断面図
である。
【図１６】本発明の第１１実施例示す。(a)は平面図で
あり、（ｂ）及び(c)は(a)のＨ−Ｈ'線に沿った断面図
である。
【図１７】本発明の第１２実施例示す。(a)は平面図で
あり、（ｂ）及び(c)は(a)のＩ−Ｉ'線に沿った断面図
である。
【図１８】本発明の第１２実施例のセンサを実際にプロ
ーブ上に製作した平面図である。
【図１９】本発明の半導体接合にバイポーラトランジス
タを使用した場合の概略図である。(a)は斜視図であ
り、（ｂ）は(a)のＪ−Ｊ'線に沿った断面図である。
【図２０】本発明の第1３実施例であるＮＰＮ型バイポ
ーラトランジスタを示す。(a)は平面図であり、（ｂ）
は(a)のＫ−Ｋ'線に沿った断面図である。
【図２１】本実施例のバイポーラトランジスタの歪量に
対するコレクタ電流変化の特性を示した図である。
【図２２】本実施例のバイポーラトランジスタの検出回
路である。
【図２３】本発明の第1４実施例であるＰＮＰ型バイポ
ーラトランジスタを示す。(a)は平面図であり、（ｂ）
は(a)のＬ−Ｌ'線に沿った断面図である。
【図２４】本発明の第1５実施例である横型ＰＮＰバイ
ポーラトランジスタを示す。(a)は平面図であり、
（ｂ）は(a)のＭ−Ｍ'線に沿った断面図である。
【図２５】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の主
要部のブロック図である。
【図２６】従来の半導体歪センサの斜視図である。
【符号の説明】
８ 薄膜 ９ 半導体接合 １０ プローブ １０ａ アーム部 １０ｂ 支持部 １０ｃ 探針 ３１ Ｎ型基板 ３２ Ｐ-拡散領域 ４０ 絶縁膜 ５０ ｐｎ接合 １０２ バイポーラトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 信宏 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 白川部 喜春 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自由端および固定端を有するプローブ
    と、 前記プローブの、自由端の変位によって応力歪が生じる
    領域に形成された半導体接合と、 前記半導体接合を形成するｐ型領域およびｎ型領域のそ
    れぞれに形成されたコンタクト領域と、 少なくとも前記自由端の変位によって応力歪が生じる領
    域に定常的に応力歪が生じるように、前記プローブの少
    なくとも一方の主表面に形成された薄膜とを具備したこ
    とを特徴とする半導体歪センサ。
  2. 【請求項２】 前記半導体接合がｂ接合であり、前記プ
    ローブは、第１導電型半導体基板と、 前記第１導電型半導体基板の表面に露出するように形成
    された第２導電型半導体領域とで構成されたことを特徴
    とする請求項１記載の半導体歪センサ。
  3. 【請求項３】 前記第２導電型半導体領域は、前記プロ
    ーブの一方の端部に沿って伸びるように形成された帯状
    領域であることを特徴とする請求項２記載の半導体歪セ
    ンサ。
  4. 【請求項４】 前記第２導電型半導体領域は、前記プロ
    ーブの自由端の全面に形成されたことを特徴とする請求
    項２記載の半導体歪センサ。
  5. 【請求項５】 前記第２導電型領域は、自由端と固定端
    との境界領域およびその近傍のみに選択的に形成された
    ことを特徴とする請求項２記載の半導体歪センサ。
  6. 【請求項６】 前記第２導電型半導体領域は、前記プロ
    ーブの端部を含まない中央部に形成された帯状領域であ
    ることを特徴とする請求項２記載の半導体歪センサ。
  7. 【請求項７】 前記帯状の第２導電型半導体領域とプロ
    ーブ端部との間で露出した前記第１導電型半導体基板の
    表面には、第１導電型高濃度半導体領域が露出したこと
    を特徴とする請求項６記載の半導体歪センサ。
  8. 【請求項８】 前記第１導電型高濃度半導体領域は、基
    板表面に露出した帯状の第２導電型半導体領域を基板表
    面で囲むように形成されたことを特徴とする請求項７記
    載の半導体歪センサ。
  9. 【請求項９】 前記第１導電型高濃度半導体領域は、基
    板表面に露出した帯状の第２導電型半導体領域を包み込
    むように形成されたことを特徴とする請求項８記載の半
    導体歪センサ。
  10. 【請求項１０】 第１導電型の半導体基板を蝕刻して自
    由端および固定端を有するプローブを形成する工程と、 前記プローブ部の、前記自由端の変位によって応力歪が
    生じる領域が露出するようにマスクを形成する工程と、 前記露出部分の表面に第２導電型の不純物を導入し、少
    なくとも前記応力歪が生じる領域にｐｎ接合を形成する
    工程と、 少なくとも前記自由端の変位によって応力歪が生じる領
    域に定常的に応力歪が生じるように、前記プローブの少
    なくとも一方の主表面に薄膜を形成する工程とから成る
    ことを特徴とする半導体歪センサの製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記半導体接合がバイポーラトランジ
    スタであることを特徴とする請求項1記載の半導体歪セ
    ンサ。
  12. 【請求項１２】 前記プローブは、主表面から順に、面
    方位が（１１１）面のＳｉの活性層と、ＳｉＯ2 の中間
    層と、面方位が（１００）のＳｉのベース層とから構成
    された基板であることを特徴とする請求項１１記載の半
    導体歪センサ。
  13. 【請求項１３】 前記バイポーラトランジスタは、前記
    面方位が（１１１）面のＳｉ基板の活性層に形成された
    ことを特徴とする請求項１１記載の半導体歪センサ。
  14. 【請求項１４】 前記請求項１から９及び請求項1１か
    ら１３のいずれか記載の半導体歪センサを走査プローブ
    として用いたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
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