KR100785036B1 - 전기장 쉴드를 구비한 전기장 센서의 제조방법 - Google Patents

전기장 쉴드를 구비한 전기장 센서의 제조방법 Download PDF

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Abstract

전기장 쉴드를 구비한 전기장 센서의 제조방법이 개시된다. 개시된 전기장 쉴드를 구비한 전기장 센서의 제조방법은: 제1불순물을 도핑한 기판의 상면에 그 상단에는 상기 제1불순물과 극성이 다른 제2불순물이 저농도로 도핑된 저항영역이 형성되고, 그 경사면에는 상기 제2불순물이 고농도로 도핑된 제1 및 제2반도체 전극영역이 형성된 저항성 팁을 형성하는 제1 단계; 상기 기판 상에서 상기 저항성 팁 상에 유전층을 형성하는 제2 단계; 상기 저항영역 상의 상기 유전층 상에 고단면비의 마스크를 형성하는 제3 단계; 상기 유전층 상에 금속층을 증착하는 제4 단계; 및 상기 마스크를 제거하여 상기 저항영역 상의 유전층을 상기 금속층으로부터 노출시키는 제5 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기장 쉴드를 구비한 전기장 센서의 제조방법{Method of fabricating electrical field sensor having electrical field shield}
도 1은 종래의 저항성 팁이 형성된 캔티레버의 일부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법으로 제조된 전기장 센서의 팁 부분만을 간략히 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명에 따른 전기장 쉴드를 구비한 고분해능 전기장 쉴드의 제조과정을 순차적으로 보여주는 사시도 또는 단면도이다.
본 발명은 전기장 쉴드를 구비한 고분해능 전기장 센서의 제조방법에 관한 것이다.
정보저장 능력의 증대를 위해서 정보저장매체의 수십 나노미터 직경의 작은 영역에 존재하는 표면전하를 검출할 수 있는 탐침이 필요하다. 이러한 탐침은 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscopy) 및 하드 드라이브에 이용될 수 있다.
도 1은 국제출원공개공보 WO 03/096409호에 개시된 저항성 팁(50)이 형성된 캔티레버(70)의 단면도이다. 저항성 팁(50)은 캔티레버(70) 상에 수직으로 위치하 며, 어레이형태의 제작이 가능하며, 또한, 수십 나노미터 직경의 저항영역(56)을 가지도록 제조할 수 있다.
도 1을 참조하면, 반도체 탐침의 팁(50)은, 제1불순물이 도핑된 팁(50)의 몸체부(58)와, 팁(50)의 단에 위치하며 제2불순물이 저농도로 도핑되어 형성된 저항 영역(56)과, 저항 영역(56)을 사이에 두고 팁(50)의 경사면에 위치하며 상기 제2불순물이 고농도로 도핑된 제1 및 제2반도체 전극 영역(52, 54)을 구비한다.
그러나, 종래의 저항성 팁을 구비한 반도체 탐침은 저항성 팁(50)을 형성하는 과정에서 팁(50)의 경사면에 형성된 반도체 전극영역(52, 54)이 습식 에칭으로 과도하게 식각되면서 고농도로 도핑된 경사면의 영역이 줄어든다. 따라서, 경사면에서의 도전성 영역이 줄어들어서 전극영역(52, 54)이 저항영역(56)의 영역의 특성을 가지게 된다. 이에 따라 저항변화에 대한 공간분해능이 감소될 수 있다.
한편, 공간분해능 향상을 위해 전극영역(52, 54)이 저항영역(56)의 특성을 가지는 것을 방지하기 위하여 경사면 상에 전기장 쉴드를 구비한 반도체 탐침이 연구되어 왔다. 그러나, 전기장 쉴드를 구비한 반도체 탐침의 제작과정에서 전기장 쉴드의 개구부를 반도체 탐침의 팁 상에 정렬하기가 어려우며, 또한, 전기장 쉴드의 개구부의 직경을 일정한 크기로 형성하기가 어렵다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 공간분해능이 우수하며, 전기장 쉴드의 개구부가 팁 상에 정렬되며, 전기장 쉴드의 개구부의 직경이 일정한 전기장 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기장 쉴드를 구비한 전기장 센서의 제조방법은:
제1불순물을 도핑한 기판의 상면에 그 상단에는 상기 제1불순물과 극성이 다른 제2불순물이 저농도로 도핑된 저항영역이 형성되고, 그 경사면에는 상기 제2불순물이 고농도로 도핑된 제1 및 제2반도체 전극영역이 형성된 저항성 팁을 형성하는 제1 단계;
상기 기판 상에서 상기 저항성 팁 상에 유전층을 형성하는 제2 단계;
상기 저항영역 상의 상기 유전층 상에 고단면비의 마스크를 형성하는 제3 단계;
상기 유전층 상에 금속층을 증착하는 제4 단계; 및
상기 마스크를 제거하여 상기 저항영역 상의 유전층을 상기 금속층으로부터 노출시키는 제5 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 마스크는 3:1 이상의 단면비로 형성된다.
또한, 상기 제3 단계는,
상기 마스크를 FIB 시스템으로 증착하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 마스크는 상부의 직경이 상기 저항영역 상의 금속층과 접촉하는 하부의 직경 보다 큰 것이 바람직하다.
상기 제3 단계는, 상기 유전층과 접촉하는 상기 마스크의 하부 직경을 10~100 nm 로 형성한다.
본 발명에 따르면, 상기 마스크는 카본, 텅스텐, 백금, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 저항영역 상의 상기 유전층을 식각하여 상기 저항영역을 노출하는 제6 단계;를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기장 쉴드를 구비한 고분해능 전기장 센서의 제조방법을 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법으로 제조된 전기장 센서의 팁 부분만을 간략히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전기장 센서의 팁(150)은 기판(170) 상에 수직으로 형성되어 있다. 팁(150)은, 제1불순물이 도핑된 몸체부(158)와, 팁(150)의 단에 위치하며 제2불순물이 저농도로 도핑되어 형성된 저항 영역(156)과, 저항 영역(156)을 사이에 두고 팁(150)의 경사면에 위치하며 상기 제2불순물이 고농도로 도핑된 제1 및 제2반도체 전극 영역(152, 154)을 구비한다. 제1불순물이 p형 불순물이며, 제2불순물은 n형 불순물인 것이 바람직하다. 반도체 전극영역(152, 154) 상에는 유전층(160)과 전기장 쉴드(electrical field shield)(162)가 형성되어 있다.
상기 유전층(160)은 Si3N4 또는 SiO2로 형성될 수 있다.
상기 전기장 쉴드(162)는 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 등으로 형성될 수 있다. 상기 전기장 쉴드(162)의 개구부의 직경은 100 nm 이하, 바람직하게는 수십 나노미터 이하로 형성된다.
상기 전기장 쉴드(162)는 기록매체의 표면전하가 저항영역(156) 이외의 영역, 즉 제1 및 제2반도체 전극 영역(152, 154)에 전계를 미치는 것을 차단한다. 따라서, 표면전하에 의해 발생되는 전계는 저항영역(156)의 저항값 차이를 유발하는데, 이 저항값의 변화로부터 표면 전하의 극성과 크기가 정밀하게 검출될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 저항성 팁(150)은 저항영역(156)을 제외한 영역이 전기장 쉴드(162)로 커버되어 있어서, 저항성 팁(150)의 공간 분해능이 향상된다.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명에 따른 전기장 쉴드를 구비한 고분해능 전기장 쉴드의 제조과정을 순차적으로 보여주는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 제1불순물로 도핑된 실리콘 기판(231) 또는 SOI(Silicon On Insulator) 기판의 표면에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등의 마스크막(233)을 형성하고, 감광제(235)를 그 상면에 도포한 다음, 스트라이프형의 마스크(238)를 그 상방에 배치시킨다.
도 3b를 참조하면, 노광, 현상 및 식각 공정을 수행하여 스트라이프형의 마스크막(233a)을 기판(231) 상에 형성한다. 이어서, 마스크막(233a)을 제외한 영역을 제2불순물로 고농도 도핑하여 제1 및 제2 반도체 전극 영역(232, 334)을 형성한다. 제1 및 제2반도체 전극 영역(232, 334)은 비저항값이 매우 낮게 형성되어 도전체로 작용한다.
도 3c를 참조하면, 기판(231)을 열처리(annealing) 공정을 수행하여 제1 및 제2반도체 전극 영역(232, 334) 사이의 폭을 마스크막(233a)의 폭보다 줄인다. 제2불순물의 고농도 영역(232, 334)이 확대되면, 고농도 영역과 인접한 영역에 제2불순물이 확산되어서 제2불순물의 저농도영역인 저항 영역(236)을 형성한다. 마스크막(233a) 하부의 저항영역(236)은 서로 접촉되어 후술하는 저항성 팁의 첨두부 형성부를 형성한다. 이 저항영역(236)의 접촉은 후술하는 열산화공정에서 이루어져도 된다.
도 3d 및 도 3e를 참조하면, 기판(231)의 상면에 마스크막(233a)을 덮도록 감광제층(239)를 도포한 다음 그 상방에 마스크막(233a)과 직교하도록 스트라이프형의 포토마스크(240)를 배치시킨다. 이어서, 노광, 현상 및 식각 공정을 실시하면 포토마스크(240)와 동일한 형태의 감광제층(239a)이 형성된다.
도 3f를 참조하면, 스트라이프형의 감광제층(239a)에 의해 덮히지 않은 마스크막(233a)을 건식 식각하여 사각형상의 마스크막(233b)을 형성한다.
도 3g를 참조하면, 감광제층(239a)를 제거한 후, 사각형상의 마스크막(233b)을 마스크로 하여 기판(231)을 습식 또는 건식 식각한다.
도 3h를 참조하면, 팁(230)의 경사면에 제1 및 제2반도체 전극영역(232, 334)이 형성되며, 저항영역(236)이 팁(230)의 첨두부에 정렬된다.
이어서, 마스크막(233b)을 제거한 후, 기판(231)을 산소 분위기에서 가열하면, 기판(231)의 상면에 소정 두께의 실리콘 산화막(미도시)이 형성되며, 이 산화막을 제거하면 저항성 영역(236)의 단이 뾰족해진다. 이러한, 열산화공정을 수행하 면 팁의 샤프닝(sharpening)과 함께 격리된 저항성 영역(236)을 겹치게 할 수도 있다.
도 3i를 참조하면, 기판(231) 상에 저항성 팁(230)을 덮는 유전층(260)을 형성한다. 유전층(260)은 Si3N4를 증착하거나, 또는 기판(231)을 열처리하여 저항성 팁(230) 상에 SiO2 막을 형성할 수 있다. 유전층(260)은 대략 10~100 nm 두께로 형성된다.
이어서, 저항영역(256) 상의 상기 유전층(260) 상에 대략 수십 나노미터 직경의 마스크(261)를 형성한다. 상기 마스크(261)는 적어도 3:1 이상의 고단면비로 형성된다. 상기 마스크(261)는 FIB 시스템(focused ion beam system)을 사용하여 상기 저항영역(256) 상방에 정렬되게 증착될 수 있다. 특히, 상기 마스크(261)는 상부의 직경이 상기 유전층(260)과 접촉하는 하부의 직경 보다 큰 것이 바람직하다. 상기 마스크는 카본, 텅스텐, 백금, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
이어서, 유전층(260) 상에 금속, 예컨대 Al, Au, Pt를 증착 또는 스퍼터링하여 금속층(262)을 형성한다. 상기 금속층(262)은 대략 10 ~ 100 nm 두께로 형성한다.
도 3j를 참조하면, 상기 마스크(261)를 리프트오프(lift-off)하여 금속층(262)에 개구부(264)를 형성한다. 상기 개구부(264)는 저항영역(256) 상방에 정렬된 상태이며, 그 직경은 마스크(261)의 하부의 직경과 같은 크기로 된다.
도 3k를 참조하면, 개구부(264)가 형성된 금속층(262)을 마스크로 하여 개구부(264)에 노출된 유전층(260)을 식각한다. 따라서 저항영역(256)이 노출되며, 금속층(262)은 저항영역(256)을 노출시키는 전기장 쉴드가 된다. 한편, 개구부(264)에 노출된 유전층(260)을 제거하지 않거나 또는 식각 시간을 조절하여 개구부(264)에 형성된 유전층(260)의 두께를 얇게 형성할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 전기장 쉴드의 개구부의 위치를 저항영역 상에 정렬하기가 용이하다. 또한, 마스크의 하부직경으로 전기장 쉴드의 개구부 직경의 크기를 일정하게 조절할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 다양한 형태의 탐침을 제조할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (7)

  1. 제1불순물을 도핑한 기판의 상면에 그 상단에는 상기 제1불순물과 극성이 다른 제2불순물이 저농도로 도핑된 저항영역이 형성되고, 그 경사면에는 상기 제2불순물이 고농도로 도핑된 제1 및 제2반도체 전극영역이 형성된 저항성 팁을 형성하는 제1 단계;
    상기 기판 상에서 상기 저항성 팁 상에 유전층을 형성하는 제2 단계;
    상기 저항영역 상의 상기 유전층 상에 고단면비의 마스크를 형성하는 제3 단계;
    상기 유전층 상에 금속층을 증착하는 제4 단계; 및
    상기 마스크를 제거하여 상기 저항영역 상의 유전층을 상기 금속층으로부터 노출시키는 제5 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기장 쉴드를 구비한 전기장 센서의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크는 3:1 이상의 단면비로 형성하는 특징으로 하는 전기장 센서 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 단계는,
    상기 마스크를 FIB 시스템으로 증착하는 것을 특징으로 하는 전기장 센서 제 조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크는 상부의 직경이 상기 저항영역 상의 금속층과 접촉하는 하부의 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 전기장 센서 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 단계는,
    상기 유전층과 접촉하는 상기 마스크의 하부 직경을 10~100 nm 로 형성하는 것을 특징으로 하는 전기장 센서 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크는 카본, 텅스텐, 백금, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 저항성 팁을 구비한 전기장 센서 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항영역 상의 상기 유전층을 식각하여 상기 저항영역을 노출하는 제6 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 팁을 구비한 전기장 센서 제조방법.
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