WO1996012935A1 - Expansion gauge for measuring the expansion of single-crystalline semiconductor material - Google Patents

Expansion gauge for measuring the expansion of single-crystalline semiconductor material Download PDF

Info

Publication number
WO1996012935A1
WO1996012935A1 PCT/DE1995/001446 DE9501446W WO9612935A1 WO 1996012935 A1 WO1996012935 A1 WO 1996012935A1 DE 9501446 W DE9501446 W DE 9501446W WO 9612935 A1 WO9612935 A1 WO 9612935A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor material
mosfet
expansion
strain
source
Prior art date
Application number
PCT/DE1995/001446
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jakob Schelten
Reiner Jumpertz
Olaf Ohlsson
Frank Saurenbach
Original Assignee
Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Jülich GmbH filed Critical Forschungszentrum Jülich GmbH
Publication of WO1996012935A1 publication Critical patent/WO1996012935A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/005Measuring force or stress, in general by electrical means and not provided for in G01L1/06 - G01L1/22
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge

Definitions

  • the invention relates to a strain gauge for measuring the strain of single-crystal semiconductor material, which is used as a semiconductor strain gauge.
  • a MOSFET is attached to the semiconductor material as a signal generator for displaying the strain.
  • the electrical signals of the MOSFET serve as a measure of the elongation of the semiconductor material (1).
  • the invention further relates to a method for strain measurement.
  • Such a strain gauge is known from DE-OS 2 231 977.
  • the changing source-drain current in the MOSFET channel is measured with constant source-drain voltage.
  • the measured variable is proportional to the strain and can thus be used as a measure of strain (J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 12, page 1973, 1979).
  • the invention is used in particular to measure the elongation of a lever arm made of semiconductor material and clamped on one side, which is to be used as a scanning probe for a scanning probe microscope.
  • lever arms clamped on one side are known as scanning probes made of single-crystalline semiconductor material.
  • Fine probe tips are attached to the lever arms clamped on one side on the scanning probe microscope at the free, non-clamped end of the lever arm, scan the material surfaces and thereby detect their topography up to atomic resolution.
  • physical interactions between the material surface and the probe tip, which is moved relative to the material surface are used. The interaction can be long-range and lead to van der Waals forces, capillary forces, magnetic or electromagnetic forces.
  • the amount of deflection is proportional to the force acting on the probe tip and is dependent on location when the probe tip moves over the material surface, so that the locally specific topography structure of the material surface can be deduced from the lever arm deflection.
  • the amounts of the deflection are generally evaluated digitally and converted into data images that make it possible lent to display the topography clearly, for example on screens.
  • an electrical conductor track is doped on a lever arm made of single-crystalline silicon as semiconductor material, which changes its resistance if, when the lever arm is deflected, material strains are caused in the semiconductor material due to tensile and compressive stresses.
  • signal transmitters with a small drift and fewer interference signals are required.
  • the object of the invention is to provide a signal transmitter with high sensitivity, ie high signal component with a small interference component, on single-crystal semiconductor material for indicating the elongation of the semiconductor material.
  • the object of the invention is also to provide a method for strain measurement with these advantages. This object is achieved in a strain gauge of the type mentioned at the outset by the features specified in patent claim 1.
  • a MOSFET is used on the semiconductor material as the signal transmitter, the electrical signals of which are measured as a measure of the elongation of the semiconductor material. It is e.g. B. by means of a constant current source (as a means for generating a constant source-drain current) the source-drain current is kept constant and the changing source-drain voltage measured. The change in the source-drain voltage is a measure of the extension or deflection of the lever arm in the atomic force microscope.
  • the amplification factor is dependent on the ratio R j / R D (R i : differential resistance ⁇ U D / ⁇ l D ; R D : nominal resistance U D / I D ) and can be adjusted if the resistors R and R D are selected accordingly using the voltage at the gate easily lead to a hundredfold amplification. Since external interference between the sensor and evaluation electronics such. B. occur by thermal voltages, microphones, influenza or induction, not be amplified with, this type of amplification has great advantages over the known prior art.
  • the Signal component is significantly increased compared to the external disturbance component.
  • MOSFET pair On the semiconductor material which has two MOSFETs oriented at an angle of 90 ° to one another.
  • One of the MOSFETs of the MOSFET pair is preferably arranged parallel to the main component of the mechanical expansion of the semiconductor material.
  • Single-crystal silicon is preferably suitable as the semiconductor material, but also single-crystal germanium or a III / V semiconductor.
  • the MOSFETs can be applied to n- or p-doped semiconductor material.
  • the MOSFETs are attached to the side of the lever arm on which the probe tip is also located on the lever arm.
  • MOSFETs Analogous to MOSFETs on lever arms for scanning probe microscopes consisting of semiconductor material, MOSFETs are Generally suitable as sensors for strain measurement with the advantages mentioned above, and everything that has been discussed for lever arms also applies to semiconductor strain gauges.
  • the object is further achieved by measuring the elongation of single-crystalline semiconductor material by means of a MOSFET (8 to 13) attached to the semiconductor material. Its source-drain voltage serves as a measure of the elongation of the semiconductor material (1). The source-drain current is kept constant during this time.
  • the device is used to carry out the method.
  • FIG. 2 shows two MOSFETs arranged at an angle of 90 ° to one another on semiconductor material (shown enlarged)
  • FIG. 1 shows a schematic representation on n-doped semiconductor material 1 of an applied MOSFET with MOSFET channel 2, in the exemplary embodiment a p-channel.
  • 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. In the following, therefore, all exemplary embodiments are based on MOSFETs according to FIG. 1, that is to say p-channel MOSFETs on n-doped semiconductor material.
  • the MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • a metal layer 3 is applied to the semiconductor material 1 and 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 MOSTET channel 2, the semiconductor layer 6 being arranged at the source and the semiconductor layer 7 at the drain.
  • the MOSFET channel has one
  • the gate voltage U is adjustable. 12935 PC17
  • MOSFETs behave piezoresistive, G. Dorda, J. Appl. Physics 4-2, 2053 (1994), and from a publication by C. Canadi et al. , J. Phys. D_ : Appl. Phys. 12, 1973 (1979), it follows that with an expansion ⁇ ( ⁇ l / l) of the semiconductor material over the gate length 1 with a constant source-drain voltage Up, a change in the source-drain current IJJ ( ⁇ lrj / Irj) is measurable.
  • the source-drain current Irj shows strong, anisotropic, piezoresistive effects.
  • the amount of the current change ⁇ I ⁇ J / ID can be treated analogously to a change in resistance of an electrical resistance when stretching,
  • the value k_ 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 dependencies of k j 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 ⁇ on the same parameters.
  • the MOSFET can thus be set via U Q to an optimum operating point for the required measurement.
  • the MOSFET channel is advantageously placed in a (110) direction and the main direction of expansion in the semiconductor material parallel or perpendicular to the MOSFET channel in order to obtain the largest possible value for k.
  • the gate voltage Ug being chosen to be much larger than the threshold voltage.
  • the values to be determined can be falsified by thermal drift, the disturbance variable k-p of which at the working point is caused by
  • the temperature dependence of the source-drain current is generally somewhat less than the temperature dependence of semiconductor material resistors.
  • 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 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, so the thermal drift can be largely eliminated.
  • the condition of structurally identical MOSFETs is met if they are attached in such a way that their MOSFET channels are arranged in crystal directions of the semiconductor materials that are equivalent to the strain to be measured (for example in the case of single-crystal silicon in the (110) and (110) directions).
  • the aforementioned K j condition can be achieved due to the anisotropic behavior of k when the two MOSFETs 8, 9 are oriented at a 90 ° angle to one another.
  • a correlation method can also be used under the above-mentioned conditions, as is described in the unpublished patent application P ...
  • two MOSFETs are first used when the semiconductor material is not loaded the measured value deviations of both MOSFETs are determined when ambient parameters change, and a calibration function is determined, which then serves to correct the displayed measured values during the measurement carried out. In this way, changing additive disturbances from environmental influences are eliminated.
  • the above-described correlation method for eliminating disturbance variables can also be used in that the change in the source-drain current ⁇ lrj / Irj for determining the calibration function in the case of unloaded semiconductor material in the case of a change exclusively of disturbance variables at two different gate voltages U, U JJ is evaluated.
  • the inversion in the MOSFET channel and thus the value of the respectively available gain factor kj depends on the set gate voltage.
  • the two gate voltages U Q J, U Q JJ are thus to be selected such that the third condition for the gain factors kj / j and k j / j required for the correlation method results, namely:
  • a calibration function can also be determined, which is then used to correct the measured value.
  • Another advantage of using MOSFETs as strain gauges on semiconductor material is the possibility of superimposing the measurement signal Irj or UJJ of a MOSFET with a base frequency using a correspondingly frequency-modulated gate voltage U Q and the modulated measurement signal in a known manner by means of To strengthen lock-in technology. The thermal drift is then eliminated in the amplifier chain used here.
  • MOSFETs Metal-oxide-semiconductor-semiconductor
  • the topography of surfaces can be determined with scanning probe microscopes, and steps and terraces on the surface can be measured up to atomic resolution.
  • the interaction mechanisms between the scanning probe and the sample surface are also examined.
  • lever arms made from semiconductor material are used, the deflection of which is to be measured as a result of the action of surface forces during the scanning of the surface.
  • the lever arms clamped on one side on the scanning force microscope are deflected by surface forces acting on their free lever arm end.
  • the strains resulting from tensile and compressive stresses in the semiconductor material when bending the lever arm are measured. sen.
  • the elongation values are a measure of the deflection of the lever arm.
  • FIG. 4 schematically shows a holder 14 which is fixedly attached to an atomic force microscope and has a lever arm 15 made of single-crystal silicon which is clamped on one side.
  • a section II of the lever arm 15 is shown enlarged in Figure 2.
  • two MOSFETs 8, 9 are attached, one of which has a MOSFET with its MOSFET channel in the main direction of expansion when the lever arm is deflected, and the other MOSFET is used at an angle of 90 ° thereto.
  • the two MOSFETs 8, 9 and their conductor tracks 16 on the lever arm are correspondingly small, see FIG. 2.
  • the MOSFET channel lengths 1 and channel widths w are 4 ⁇ m, the width of the conductor tracks 5 ⁇ m.
  • Such lever arms with integrated MOSFETs are produced in the usual way on single-crystalline semiconductor materials with mask technology. Four masks are required:
  • 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 the atomic force microscope.
  • 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.
  • MOSFETs on semiconductor material can not only be used for strain measurement on lever arms of scanning probe microscopes. In general, they can be attached to semiconductor strain gauges (semiconductor strain gauges) to determine the strain of the semiconductor material or the material on which the semiconductor strain gauge is placed. The manner in which MOSFETs are to be attached to semiconductor strain gauges corresponds to the previously described exemplary embodiments.
  • One or more MOSFETs can be integrated on the semiconductor strain gauge, the MOSFET channels being arranged in selected crystallographic directions on the n- or p-doped semiconductor materials. With single-crystal silicon the MOSFET channels are preferably aligned in the direction of the (001) or (110) planes.
  • germanium or III / V semiconductors of any orientation are also suitable.

Abstract

The invention relates to an expansion gauge for measuring the expansion of single-crystalline semiconductor material. A highly sensitive signal generator, i.e. with a high signal component and low interference component, is to be applied to the single-crystalline semiconductor material to indicate its expansion. The problem is solved by the use of a MOSFET as the signal generator. The source-drain current is kept constant by means of a constant current source (as a means therefor) and the variations in the source-drain voltage are measured. The change in the source-drain voltage is a measure of the expansion.

Description

B e s c h r e i b u n gDescription
Dehnungsmesser zur Messung der Dehnung einkristallinen HalbleitermaterialsStrain gauge for measuring the strain of single-crystalline semiconductor material
Die Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungsmesser zur Messung der Dehnung einkristallinen Halbleitermateri¬ als, das als Halbleiterdehnungsmeßstreifen eingesetzt ist. Am Halbleitermaterial ist ein MOSFET als Signalgeber zur Anzeige der Dehnung befestigt . Die elektrischen Signale des MOSFETs dienen als Maß für die Dehnung des Halbleitermaterials (1) . Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Dehnungsmessung.The invention relates to a strain gauge for measuring the strain of single-crystal semiconductor material, which is used as a semiconductor strain gauge. A MOSFET is attached to the semiconductor material as a signal generator for displaying the strain. The electrical signals of the MOSFET serve as a measure of the elongation of the semiconductor material (1). The invention further relates to a method for strain measurement.
Ein solcher Dehnungsmesser ist aus DE-OS 2 231 977 be¬ kannt. Dabei wird der sich verändernde Source-Drain- Strom im MOSFET-Kanal bei konstanter Source-Drain-Span¬ nung gemessen. Die Meßgröße verhält sich proportional zur Dehnung und kann so als Dehnungsmaß eingesetzt wer¬ den (J. Phys. D:Appl. Phys. , Vol. 12, Seite 1973, 1979) .Such a strain gauge is known from DE-OS 2 231 977. The changing source-drain current in the MOSFET channel is measured with constant source-drain voltage. The measured variable is proportional to the strain and can thus be used as a measure of strain (J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 12, page 1973, 1979).
Die Erfindung dient insbesondere zur Messung der Deh- nung eines aus Halbleitermaterial gefertigten, einsei¬ tig eingespannten Hebelarms, der als Rastersonde für ein Rastersondenmikroskop einzusetzen ist. Für Rastersondenmikroskope sind einseitig eingespannte Hebelarme als Rastersonden aus einkristallinem Halblei¬ termaterial bekannt . An den am Rastersonden ikroskop einseitig eingespannten Hebelarmen sind am jeweils freien, nicht eingespannten Ende des Hebelarms, feine Tastspitzen befestigt, die Materialoberflächen abtasten und dabei deren Topographie bis hin zu atomarer Auflö¬ sung detektieren. Dabei werden physikalische Wechsel- Wirkungen zwischen der Materialoberfläche und der Tast- spitze ausgenutzt, die relativ zur Materialoberfläche bewegt wird. Die Wechselwirkung kann langreichweitig sein und zu van-der-Waals-Kräften, Kapillarkräften, ma¬ gnetischen oder elektromagnetischen Kräften führen. Sie kann auch kurzreichweitig sein und in Physi- oder Che- miesorptionskräften, in elastischen oder plastischen Verformungskräften resultieren. Jede Wechselwirkung an der Tastspitze führt zu einer Auslenkung des Hebelarms gegenüber seinem am Rastersondenmikroskop einseitig eingespannten Hebelarmende und zu einer elastischenThe invention is used in particular to measure the elongation of a lever arm made of semiconductor material and clamped on one side, which is to be used as a scanning probe for a scanning probe microscope. For scanning probe microscopes lever arms clamped on one side are known as scanning probes made of single-crystalline semiconductor material. Fine probe tips are attached to the lever arms clamped on one side on the scanning probe microscope at the free, non-clamped end of the lever arm, scan the material surfaces and thereby detect their topography up to atomic resolution. Here, physical interactions between the material surface and the probe tip, which is moved relative to the material surface, are used. The interaction can be long-range and lead to van der Waals forces, capillary forces, magnetic or electromagnetic forces. It can also be short-range and result in physical or chemical absorption forces, in elastic or plastic deformation forces. Every interaction at the probe tip leads to a deflection of the lever arm with respect to its lever arm end clamped on one side on the scanning probe microscope and to an elastic one
Verbiegung des Hebelarms. Der Betrag der Auslenkung ist der an der Tastspitze angreifenden Kraft proportional und bei einer Bewegung der Tastspitze über die Mate¬ rialoberfläche ortsabhängig, so daß sich aus der Hebel- armauslenkung auf die lokalspezifisch gegebene Topogra¬ phiestruktur der Materialoberfläche schließen läßt. Die Beträge der Auslenkung werden im allgemeinen digital ausgewertet und in Datenbilder umgeformt, die es ermög- liehen, die Topographie anschaulich, beispielsweise auf Bildschirmen, darzustellen.Bending of the lever arm. The amount of deflection is proportional to the force acting on the probe tip and is dependent on location when the probe tip moves over the material surface, so that the locally specific topography structure of the material surface can be deduced from the lever arm deflection. The amounts of the deflection are generally evaluated digitally and converted into data images that make it possible lent to display the topography clearly, for example on 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 ato ic microscope using piezoresistive detection" , Appl . Phys. Lett. 62 (1993) S. 834 ff) . Bei diesem zuletzt genannten Signal¬ geber wird auf einem Hebelarm aus einkristallinem Si¬ lizium als Halbleitermaterial eine elektrische Leiter- bahn dotiert, die ihren Widerstand ändert, wenn bei ei¬ ner Auslenkung des Hebelarms aufgrund von Zug- und Druckspannungen im Halbleitermaterial Materialdehnungen verursacht werden. Für viele Anwendungszwecke, ins¬ besondere bei Auslenkungen der Tastspitze in der Größenordnung von 0,1 nm, sind Signalgeber mit kleiner Drift und weniger Störεignalen erforderlich.To measure the deflection of the lever arm, it is also known, in addition to electron tunneling, optical interferometry, light beam deflection or the measurement of changes in capacitance, to install a signal transmitter on the lever arm itself which supplies electrical signals proportional to the deflection (M. Tortonese et al, "Atomic resolution with an ato ic microscope using piezoresistive detection", Appl. Phys. Lett. 62 (1993) pp. 834 ff). In this last-mentioned signal transmitter, an electrical conductor track is doped on a lever arm made of single-crystalline silicon as semiconductor material, which changes its resistance if, when the lever arm is deflected, material strains are caused in the semiconductor material due to tensile and compressive stresses. For many applications, in particular with deflections of the probe tip in the order of 0.1 nm, signal transmitters with a small drift and fewer interference signals are required.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf einkristallinem Halb¬ leitermaterial zur Anzeige der Dehnung des Halbleiter- rnaterials einen Signalgeber mit hoher Empfindlichkeit, d.h. hohem Signalanteil bei kleinem Störgrδßenanteil zu schaffen. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung eines Verfahrens zur Dehnungsmessung mit diesen Vorteilen. Diese Aufgabe wird bei einem Dehnungsmesser der ein¬ gangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 ange¬ gebenen Merkmale gelöst. Danach wird auf dem Halblei- termaterial als Signalgeber ein MOSFET eingesetzt, des¬ sen elektrische Signale als Maß für die Dehnung des Halbleitermaterials gemessen werden. Es wird z. B. mittels einer Konstantstromquelle (als Mittel zur Erzeugung eines konstanten Source-Drain-Stromes) der Source-Drain-Strom konstant gehalten und die sich ändernde Source-Drain-Spannung gemessen. Die Änderung der Source-Drain-Spannung ist Maß für die Dehnung bzw. Auslenkung des Hebelarms beim Rasterkraftmikroskop.The object of the invention is to provide a signal transmitter with high sensitivity, ie high signal component with a small interference component, on single-crystal semiconductor material for indicating the elongation of the semiconductor material. The object of the invention is also to provide a method for strain measurement with these advantages. This object is achieved in a strain gauge of the type mentioned at the outset by the features specified in patent claim 1. Thereafter, a MOSFET is used on the semiconductor material as the signal transmitter, the electrical signals of which are measured as a measure of the elongation of the semiconductor material. It is e.g. B. by means of a constant current source (as a means for generating a constant source-drain current) the source-drain current is kept constant and the changing source-drain voltage measured. The change in the source-drain voltage is a measure of the extension or deflection of the lever arm in the atomic force microscope.
Die Dehnungsmessung bei konstantem Source-Drain-Strom weist gegenüber der Dehnungsmessung bei konstanter Source-Drain-Spannung (=Veränderung des Source-Drain- Stromes) den Vorteil auf, das Signal zu verstärken. Der Verstärkungsfaktor ist vom Verhältnis Rj/RD (Ri :differenzieller Widerstand δUD/δlD; RD: nomineller Widerstand UD/ID) abhängig und kann bei entsprechend, über die Spannung am Gate gewählten Widerständen R und RD ohne weiteres zu einer hundertfachen Verstärkung führen. Da externe Störungen, die zwischen Sensor und Auswer¬ teelektronik z. B. durch Thermospannungen, Mikrofonie, Influenz oder Induktion auftreten, nicht mit verstärkt werden, weist diese Art der Verstärkung große Vorteile gegenüber dem bekannten Stand der Technik auf. Der Signalanteil wird gegenüber dem externen Störgrößenan¬ teil wesentlich erhöht.The strain measurement with constant source-drain current has the advantage over the strain measurement with constant source-drain voltage (= change in the source-drain current) that the signal is amplified. The amplification factor is dependent on the ratio R j / R D (R i : differential resistance δU D / δl D ; R D : nominal resistance U D / I D ) and can be adjusted if the resistors R and R D are selected accordingly using the voltage at the gate easily lead to a hundredfold amplification. Since external interference between the sensor and evaluation electronics such. B. occur by thermal voltages, microphones, influenza or induction, not be amplified with, this type of amplification has great advantages over the known prior art. The Signal component is significantly increased compared to the external disturbance component.
Um thermische Drift zu eliminieren, ist es zweckmäßig, auf dem Halbleitermaterial zumindest ein MOSFET-Paar zu integrieren, das zwei im Winkel von 90° zueinander ori¬ entierte MOSFETs aufweist. Bevorzugt ist vom MOSFET- Paar einer der MOSFETs parallel zur Hauptkomponente der mechanischen Dehnung des Halbleitermaterials angeord- net . So ist beispielsweise bei einer Belastung desIn order to eliminate thermal drift, it is expedient to integrate at least one MOSFET pair on the semiconductor material which has two MOSFETs oriented at an angle of 90 ° to one another. One of the MOSFETs of the MOSFET pair is preferably arranged parallel to the main component of the mechanical expansion of the semiconductor material. For example, when the
Halbleitermaterials als Hebelarm eines Rasterkraftmi- kroskops aufgrund einer Kraftwechselwirkung an der Tastspitze des Hebelarms einer der MOSFETs parallel zur dabei erzeugten Hauptzugspannung angeordnet, der andere MOSFET ist senkrecht dazu ausgerichtet.Semiconductor material as a lever arm of an atomic force microscope due to a force interaction on the probe tip of the lever arm of one of the MOSFETs arranged parallel to the main tensile stress generated in the process, the other MOSFET is oriented perpendicular to it.
Als Halbleitermaterial eignen sich bevorzugt einkri¬ stallines Silizium, aber auch einkristallines Germanium oder ein III/V-Halbleiter. Die MOSFETs können auf n- oder p-dotiertem Halbleitermaterial aufgebracht werden.Single-crystal silicon is preferably suitable as the semiconductor material, but also single-crystal germanium or a III / V semiconductor. The MOSFETs can be applied to n- or p-doped semiconductor material.
Für die Fertigung der Hebelarme und die Integration des MOSFETs auf den Hebelarmen ist es von Vorteil, wenn die MOSFETs auf derjenigen Seite des Hebelarms angebracht sind, auf der sich auch die Tastspitze auf dem Hebelarm befindet.For the manufacture of the lever arms and the integration of the MOSFET on the lever arms, it is advantageous if the MOSFETs are attached to the side of the lever arm on which the probe tip is also located on the lever arm.
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 Halbleiterdeh¬ nungsmeßstreifen.Analogous to MOSFETs on lever arms for scanning probe microscopes consisting of semiconductor material, MOSFETs are Generally suitable as sensors for strain measurement with the advantages mentioned above, and everything that has been discussed for lever arms also applies to semiconductor strain gauges.
Die Aufgabe wird ferner gelöst, indem die Dehnung einkristallinen Halbleitermaterials mittels am Halbleitermaterial befestigtem MOSFET (8 bis 13) gemessen wird. Dessen Source-Drain Spannung dient als Maß für die Dehnung des Halbleitermaterials (1) . Der Source-Drain-Strom wird währenddessen konstant gehalten .The object is further achieved by measuring the elongation of single-crystalline semiconductor material by means of a MOSFET (8 to 13) attached to the semiconductor material. Its source-drain voltage serves as a measure of the elongation of the semiconductor material (1). The source-drain current is kept constant during this time.
Die Vorrichtung dient der Durchführung des Verfahrens .The device is used to carry out the method.
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 explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. The drawing shows schematically in detail:
Figur 1 MOSFETs mit p-Kanal auf n-dotiertemFigure 1 MOSFETs with p-channel on n-doped
Halbleitermaterial ; Figur 2 zwei im Winkel von 90° gegeneinander versetzt angeordnete MOSFETs auf Halblei- termaterial (vergrößert dargestellterSemiconductor material; FIG. 2 shows two MOSFETs arranged at an angle of 90 ° to one another on semiconductor material (shown enlarged)
Ausschnitt II von Fig. 3) ; Figur 3 Sondenhalterung für einSection II of Fig. 3); Figure 3 probe holder for a
Rasterkraftmikroskop mit einseitig eingespanntem Hebelarm aus Halbleitermaterial und aufgesetzten MOSFETs nach Fig. 2.Atomic force microscope with lever arm clamped on one side Semiconductor material and applied MOSFETs according to FIG. 2.
In Figur 1 ist in schematischer Darstellung auf n-do- tiertem Halbleitermaterial 1 ein aufgesetzter MOSFET mit MOSFET-Kanal 2, im Ausführungsbeispiel einem p-Ka- nal, wiedergegeben. Ist das Halbleitermaterial im Ge¬ gensatz 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 ih¬ rer Verwendung als Signalgeber für Dehnungen im Halb¬ leitermaterial analog. Es wird im folgenden deshalb für alle Ausführungsbeispiele von MOSFETs nach Figur 1 aus¬ gegangen, also von p-Kanal-MOSFETs auf n-dotiertem Halbleitermaterial.FIG. 1 shows a schematic representation on n-doped semiconductor material 1 of an applied MOSFET with MOSFET channel 2, in the exemplary embodiment a p-channel. In contrast to the exemplary embodiment, if 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. In the following, therefore, all exemplary embodiments are based on 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 Halblei¬ termaterial 1 ist eine Metallschicht 3 aufgetragen, die im Gate-Bereich unterbrochen ist. Unter einer Gate- Elektrode 4 befindet sich eine Gate-Oxidschicht 5, und beidseits des MOSTET-Kanals 2 sind hoch-p-dotierte Halbleiterschichten 6,7 vorgesehen, wobei die Halblei¬ terschicht 6 an Source, die Halbleiterschicht 7 an Drain angeordnet sind. Der MOSFET-Kanal weist eineThe MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) is constructed as usual: a metal layer 3 is applied to the semiconductor material 1 and 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 MOSTET channel 2, the semiconductor layer 6 being arranged at the source and the semiconductor layer 7 at the drain. The MOSFET channel has one
Gate-Länge 1 und eine Gate-Weite w auf. Die Gate-Span¬ nung U ist einstellbar. 12935 PC17Gate length 1 and a gate width w. The gate voltage U is adjustable. 12935 PC17
MOSFETs verhalten sich piezoresistiv, G. Dorda, J. Appl. Physics 4-2, 2053 (1994) , und aus einer Veröffent¬ lichung von C. Canadi et al. , J. Phys. D_: Appl. Phys. 12, 1973 (1979) , ergibt sich, daß bei einer Deh- nung ε(δl/l) des Halbleitermaterials über der Gate- Länge 1 bei konstanter Source-Drain-Spannung Up eine Änderung des Source-Drain-Stroms IJJ (δlrj/Irj) meßbar ist. Der Source-Drain-Strom Irj zeigt starke, aniso¬ trope, piezoresistive Effekte. Der Betrag der Stromän- derung ÖIΓJ/ID kann analog einer Widerstandεänderung ei¬ nes elektrischen Widerstands bei einer Dehnung behan¬ delt werden,MOSFETs behave piezoresistive, G. Dorda, J. Appl. Physics 4-2, 2053 (1994), and from a publication by C. Canadi et al. , J. Phys. D_ : Appl. Phys. 12, 1973 (1979), it follows that with an expansion ε (δl / l) of the semiconductor material over the gate length 1 with a constant source-drain voltage Up, a change in the source-drain current IJJ (δlrj / Irj) is measurable. The source-drain current Irj shows strong, anisotropic, piezoresistive effects. The amount of the current change ÖIΓJ / ID can be treated analogously to a change in resistance of an electrical resistance when stretching,
:i) δIDD = kj ε,: i) δI D / ι D = kj ε,
wobei der Wert k_ als dimensionsloser Verstärkungsfak¬ tor für die Dehnung ε - großenordnungsmäßig vergleich¬ bar mit der dimensionslosen Größe kR bei einer elek¬ trischen Widerstandsänderung - im Bereich zwischen ± 100 liegt. Auch die Abhängigkeiten von kj 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 Abhängigkeiten von k^ von den gleichen Parametern.where the value k_ as a dimensionless gain factor for the elongation ε - comparable in magnitude to the dimensionless quantity k R with an electrical resistance change - is in the range between ± 100. The dependencies of k j 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 ^ on the same parameters.
Gegenüber den Dehnungsmessungen mit elektrischen Wider¬ ständen 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 UQ auf einen für die erforderliche Messung optimalen Arbeitspunkt einstellen.Compared to the strain measurements with electrical resistors, it is advantageous that when the gate voltage Ug changes, the density of the charge carriers in the MOSFET channel can be influenced. With regard to its measuring sensitivity and its freedom from interference with respect to thermal drift, the MOSFET can thus be set via U Q to an optimum operating point for the required measurement.
Um für ein eingesetztes MOSFET eine hohe Empfindlich¬ keit für eine Dehnung ε des Halbleitermaterials zu er¬ reichen, ist es zweckmäßig, die Anordnung des MOSFETs mit den gegebenen Kristallrichtungen des Halbleiterma¬ terials und der Hauptdehnungεrichtung abzustimmen. Ist die Halbleiterebene des einkristallinen Halbleitermate¬ rials in der Grenzschicht zwischen Halbleitermaterial 1 und Metallschicht 3 z.B. eine (001) -Kristallfläche (z.B. bei einkristallinem Silizium) , so legt man den MOSFET-Kanal vorteilhaft in eine (110) -Richtung, und die Hauptdehnungsrichtung im Halbleitermaterial parallel oder senkrecht zum MOSFET-Kanal, um einen möglichst großen Wert für k zu erhalten. Für den in Figur 1 dargestellten MOSFET mit Halbleitermaterial aus einkristallinem Silizium und der Ausrichtung des MOSFET-Kanals in (110) -Richtung sind die k -Werte für parallel zum MOSFET-Kanal verlaufende Dehnungen ε" :
Figure imgf000011_0001
- senkrecht zum MOSFET-Kanal verlaufende Dehnun¬ gen sen^-recht : kl7l = -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 Aus¬ richtung des MOSFET-Kanals.
In order to achieve a high sensitivity for an expansion ε 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. If the semiconductor level of the single-crystal semiconductor material in the boundary layer between semiconductor material 1 and metal layer 3 is, for example, a (001) crystal surface (for example in the case of single-crystal silicon), the MOSFET channel is advantageously placed in a (110) direction and the main direction of expansion in the semiconductor material parallel or perpendicular to the MOSFET channel in order to obtain the largest possible value for k. For the MOSFET shown in FIG. 1 with semiconductor material made of monocrystalline silicon and the orientation of the MOSFET channel in the (110) direction, the k values for expansions parallel to the MOSFET channel are ε ":
Figure imgf000011_0001
- Extensions perpendicular to the MOSFET channel - right : k l7l = -85, the gate voltage Ug being chosen to be much larger than the threshold voltage. With other doping or other crystal surfaces of the semiconductor material, there are other excellent directions for the alignment of the MOSFET channel.
Gegenüber der Dehnungsmessung mit einem MOSFET durch Bestimmung der Veränderung des Source-Drain-Stro s I -Q (δIrj/ID) ergibt sich eine Signalverstärkung, wenn bei konstantem Irj die Veränderung der Source-Drain-Spannung Uj(δUrj/U]}) in Abhängigkeit von der Dehnung ε gemessen wird,Compared to the strain measurement with a MOSFET by determining the change in the source-drain current I - Q (δIrj / I D ), there is a signal amplification if, with a constant Irj, the change in the source-drain voltage U j (δUrj / U] }) is measured as a function of the strain ε,
(2) δUD /UD = krj ε.(2) δU D / U D = kr j ε.
Denn mit R _ als differenziellem Widerstand (R_ = δUrj/δlrj) und Rp als nominellem Widerstand (RD = UD/ID) des MOSFET-Kanals ergibt sich mit (1) für den Verstärkungsfaktor kyBecause with R _ as a differential resistor (R_ = δUrj / δlrj) and Rp as a nominal resistor (R D = U D / I D ) of the MOSFET channel, (1) results in the gain factor ky
(3) ky = kj. Ri/RD,(3) ky = kj. Ri / R D ,
Sind beispielsweise wie bei einem Hebelarm eines Ra¬ stersondenmikroskops Auslenkung des Hebelarms zu mes- sen, können die zu ermittelnden Werte durch thermische Drift verfälscht werden, deren Störgröße k-p am Ar¬ beitspunkt durchIf, for example, as with a lever arm of a scanning probe microscope, deflection of the lever arm is to be measured, the values to be determined can be falsified by thermal drift, the disturbance variable k-p of which at the working point is caused by
(4) kτ = (δID/ID)/δT beschrieben werden kann. Eine Stromänderung durch ther¬ mische Drift ist nicht von einer Stromänderung δlD/ID infolge einer Dehnung ε des Halbleitermaterials zu un- terscheiden. Entsprechend ist bei konstanter(4) k τ = (δI D / I D ) / δT can be described. A current change due to thermal drift cannot be distinguished from a current change δl D / I D due to an expansion ε of the semiconductor material. Accordingly, is constant
Stromeinspeisung eine Spannungsänderung δUr3/UD aufgrund von Dehnung nicht von einem δUp/UD =KT- (R1/RD)δT zu unterscheiden.Current feed a voltage change δUr3 / U D due to expansion indistinguishable from a δUp / U D = K T - ( R 1 / R D ) δT.
Die Temperaturabhängigkeit des Source-Drain-Stro s ist im allgemeinen etwas kleiner als die Temperaturabhän¬ gigkeit von Halbleitermaterial-Widerständen.The temperature dependence of the source-drain current is generally somewhat less than the temperature dependence of semiconductor material resistors.
Wird auf dem Halbleitermaterial ein MOSFET-Paar mit MOSFETs 8, 9 in der in Figur 2 angegebenen Weise so in¬ tegriert, 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 Halbleitermaterialε, der andere senkrecht dazu angeordnet, so läßt sich die thermische Drift weitgehend eliminieren. Für die Diffe¬ renz δlj 8/9 zwischen den beiden Source-Drain-Strö- men ID 8, ID g in den MOSFET-Kanälen gilt nämlich bei gleichmäßiger Dehnung ε und gleicher Temperaturdiffe- renz ΔT = T - TQ 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 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, so the thermal drift can be largely eliminated. For the difference δlj 8/9 between the two source-drain currents I D 8 , I D g in the MOSFET channels, namely with uniform expansion ε and the same temperature difference ΔT = T - T Q in the semiconductor material
(5a) δl / I°8 = [k ε + kTB(T - T0)] (5b) δlDq / I°9 = _kτ ε + kτ (T - T0)l Stellt man somit für beide MOSFETs 8, 9 Baugleichheit sicher und sorgt dafür, daß kI8 = -kI9 ist, so ergibt sich:(5a) δl / I ° 8 = [k ε + k TB (T - T 0 )] (5b) δl Dq / I ° 9 = _kτ ε + k τ (T - T 0 ) l If one thus ensures identical construction for both MOSFETs 8, 9 and ensures that k I8 = -k I9 , the result is:
(6) δlDg / l09 - δl / l08 = ε (|kI9| +|k|)(6) δl Dg / l0 9 - δl / l0 8 = ε (| k I9 | + | k |)
Bei einer Konstantstromeinspeisung mit dem gleichen Strom durch beide MOSFETs führt das in Analogie zu Gleichung (3) zuIn the case of a constant current feed with the same current through both MOSFETs, this leads to analogy to equation (3)
(7) δUn / U°9 - δUn / U°8 = ε { |k„ I + lk I) (Ri/RD)(7) δUn / U ° 9 - δUn / U ° 8 = ε {| k „I + lk I) (Ri / R D )
Die Bedingung baugleicher MOSFETs ist 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 vorgenannte Kj-Bedingung ist aufgrund des anisotropen Verhaltens von k bei einer Orientierung der beiden MOSFETs 8, 9 im 90°-Winkel zueinander erreichbar.The condition of structurally identical MOSFETs is met if they are attached in such a way that their MOSFET channels are arranged in crystal directions of the semiconductor materials that are equivalent to the strain to be measured (for example in the case of single-crystal silicon in the (110) and (110) directions). The aforementioned K j condition can be achieved due to the anisotropic behavior of k 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, wie es in nicht vorveröffentlichter Pa¬ tentanmeldung P ... beschrieben ist. Danach wer¬ den zur Messung von Dehnungen infolge am Halbleiterma¬ terial angreifender Druck- und Zugspannungen mit zwei MOSFETs zunächst bei unbelastetem Halbleitermaterial die Meßwertabweichungen beider MOSFETs bei einer Verän¬ derung von Umgebungsparametern festgestellt und eine Kalibrierungsfunktion ermittelt, die anschließend bei der durchgeführten Messung zur Korrektur der angezeig- ten Meßwerte dient. Bei der Messung sich verändernde additive Störgrößen aus Umgebungseinflüssen werden so eliminiert .In order to eliminate additive disturbance variables, a correlation method can also be used under the above-mentioned conditions, as is described in the unpublished patent application P ... Thereafter, for measuring strains due to compressive and tensile stresses acting on the semiconductor material, two MOSFETs are first used when the semiconductor material is not loaded the measured value deviations of both MOSFETs are determined when ambient parameters change, and a calibration function is determined, which then serves to correct the displayed measured values during the measurement carried out. In this way, changing additive disturbances from environmental influences are eliminated.
Steht nur ein auf dem Halbleitermaterial integrierter MOSFET als Signalgeber zur Verfügung, so läßt sich das vorbeschriebene Korrelationsverfahren zur Elimination von Störgrößen auch dadurch anwenden, daß zur Ermitt¬ lung der Kalibrierungsfunktion bei unbelastetem Halb¬ leitermaterial die Veränderung des Source-Drain- Stroms Δlrj/Irj bei einer Veränderung ausschließlich von Störgrößen bei zwei verschiedenen Gate-Spannun¬ gen U , U JJ ausgewertet wird. Von der eingestellten Gate-Spannung hängt die Inversion im MOSFET-Kanal und somit der Wert des jeweils verfügbaren Verstärkungsfak- tors kj ab. Die beiden Gate-Spannungen UQJ, UQJJ sind somit so zu wählen, daß sich die dritte für das Korre¬ lationsverfahren erforderliche Bedingung für die Ver¬ stärkungsfaktoren kj/j und kj/ j ergibt, nämlich:If only one 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 Δlrj / Irj for determining the calibration function in the case of unloaded semiconductor material in the case of a change exclusively of disturbance variables at two different gate voltages U, U JJ is evaluated. The inversion in the MOSFET channel and thus the value of the respectively available gain factor kj depends on the set gate voltage. The two gate voltages U Q J, U Q JJ are thus to be selected such that the third condition for the gain factors kj / j and k j / j required for the correlation method results, namely:
I τ = - k^ü. I τ = - k ^ ü.
Auf diese Weise läßt sich ebenfalls eine Kalibrierungs¬ funktion ermitteln, die dann zur Meßwertkorrektur her¬ angezogen wird. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von MOSFETs als Dehnungsmesser auf Halbleitermaterial ist die Möglich¬ keit, das Meßsignal Irj oder UJJ eines MOSFETs mit Hilfe einer entsprechend frequenzmodulierten Gate-Spannung UQ mit einer Grundfrequenz zu überlagern und das modu¬ lierte Meßsignal in bekannter Weise mittels Lock-in¬ Technik zu verstärken. Die thermische Drift wird dann in der hierbei eingesetzten Verstärkerkette eliminiert.In this way, a calibration function can also be determined, which is then used to correct the measured value. Another advantage of using MOSFETs as strain gauges on semiconductor material is the possibility of superimposing the measurement signal Irj or UJJ of a MOSFET with a base frequency using a correspondingly frequency-modulated gate voltage U Q and the modulated measurement signal in a known manner by means of To strengthen lock-in technology. The thermal drift is then eliminated in the amplifier chain used here.
Ein wichtiges Einsatzgebiet von MOSFETs auf Halbleiter¬ material zur Dehnungsmessung ist die Rastersondenmikro¬ skopie. Mit Rastersondenmikroskopen läßt sich die Topo¬ graphie von Oberflächen bestimmen, und Stufen und Ter- rassen auf der Oberfläche lassen sich bis hin zu atoma¬ rer Auflösung vermessen. Auch die Wechselwirkungsmecha¬ nismen zwischen Rastersonde und Probenoberfläche werden untersucht .An important area of application of MOSFETs on semiconductor material for strain measurement is scanning probe microscopy. The topography of surfaces can be determined with scanning probe microscopes, and steps and terraces on the surface can be measured up to atomic resolution. The interaction mechanisms between the scanning probe and the sample surface are also examined.
Bei Rasterkraftmikroskopen werden aus Halbleitermate¬ rial gefertigte Hebelarme verwendet, deren Auslenkung infolge der Einwirkung von Oberflächenkräften beim Ra¬ stern der Oberfläche zu messen ist. Die am Rasterkraft¬ mikroskop einseitig eingespannten Hebelarme werden durch an ihrem freien Hebelarmende angreifende Oberflä¬ chenkräfte ausgelenkt. Die sich dadurch infolge von Zug- und Druckspannungen im Halbleitermaterial beim Biegen des Hebelarms ergebenden Dehnungen werden gemes- sen. Die Dehnungswerte sind ein Maß für die Auslenkung des Hebelarms.In atomic force microscopes, lever arms made from semiconductor material are used, the deflection of which is to be measured as a result of the action of surface forces during the scanning of the surface. The lever arms clamped on one side on the scanning force microscope are deflected by surface forces acting on their free lever arm end. The strains resulting from tensile and compressive stresses in the semiconductor material when bending the lever arm are measured. sen. The elongation values are a measure of the deflection of the lever arm.
In Figur 4 ist schematisch eine an einem Rasterkraftmi- kroskop ortsfest angebrachte Halterung 14 mit einseitig eingespanntem Hebelarm 15 aus einkristallinem Silizium dargestellt. Ein Ausschnitt II des Hebelarms 15 ist in Figur 2 vergrößert wiedergegeben. Auf dem Hebelarm 15 sind zwei MOSFETs 8, 9 angebracht, wovon ein MOSFET mit seinem MOSFET-Kanal in Hauptdehnungsrichtung bei einer Auslenkung des Hebelarms, der andere MOSFET im Winkel von 90° dazu eingesetzt ist.FIG. 4 schematically shows a holder 14 which is fixedly attached to an atomic force microscope and has a lever arm 15 made of single-crystal silicon which is clamped on one side. A section II of the lever arm 15 is shown enlarged in Figure 2. On the lever arm 15, two MOSFETs 8, 9 are attached, one of which has a MOSFET with its MOSFET channel in the main direction of expansion when the lever arm is deflected, and the other MOSFET is used at an angle of 90 ° thereto.
Der Hebelarm 15 weist übliche Abmessungen für Raster- sonden dieser Art auf: Hebelarmlänge L = 400 μm,The lever arm 15 has the usual dimensions for raster probes of this type: lever arm length 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 Figur 2. Die MOSFET-Kanallän- gen 1 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 Maskentech¬ nik. Es werden vier Masken benötigt:Width B = 40 μm, thickness S = 4 μm. The two MOSFETs 8, 9 and their conductor tracks 16 on the lever arm are correspondingly small, see FIG. 2. The MOSFET channel lengths 1 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; 2. Aufbringen der Metallschicht 3 mit Leiterbahnen 16; danach Herstellen der Gate-Oxydschicht 5 und schließlich 4. Herstellen der Gate-Elektrode 4 mit Leiterstrang 7.1. Generation of the p- or n-doped semiconductor layer in the semiconductor material; 2. Application of the metal layer 3 with conductor tracks 16; thereafter producing the gate oxide layer 5 and finally 4. Manufacture of the gate electrode 4 with conductor strand 7.
Alle Herstellungsschritte, wie Oxidation, Diffusions¬ dotierung, Lithographie und Metallisierung sind konven- tionell.All manufacturing steps, such as oxidation, diffusion doping, lithography and metallization, are conventional.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind aus Herstel¬ lungsgründen die MOSFETs auf der gleichen Hebelarmseite aufgebracht, auf der sich auch eine Sondenspitze 17 für das Abtasten der Probenoberfläche der Rasterkraftmikro¬ skopie befindet. Die Lage der relativ zu den Abmessungen des Hebelarms nur sehr kleinen Son¬ denspitze 17 ist auf dem Hebelarm 15 in Figur 4 nur schematisch angedeutet.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, for reasons of production, 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 the atomic force microscope. 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.
MOSFETs auf Halbleitermaterial sind zur Dehnungsmessung nicht nur auf Hebelarmen von Rastersondenmikroskopen einsetzbar. Sie lassen sich ganz allgemein auf Halblei¬ ter-Dehnmeßstreifen (Halbleiter-DMS) zur Ermittlung der Dehnung des Halbleitermaterials bzw. des Materials an¬ bringen, auf dem der Halbleiter-DMS aufgesetzt ist. Die Art, in welcher Weise MOSFETs auf Halbleiter-DMS anzu¬ bringen sind, entspricht den vorbeschriebenen Ausfüh¬ rungsbeispielen. Es lassen sich ein oder mehrere MOSFETs auf der Halbleiter-DMS integrieren, wobei die MOSFET-Kanäle in ausgewählten kristallographischen Richtungen auf den n- oder p-dotierten Halbleitermate¬ rialien angeordnet sind. Bei einkristallinem Silizium werden die MOSFET-Kanäle bevorzugt in Richtung der (001)- oder (110) -Ebenen ausgerichtet.MOSFETs on semiconductor material can not only be used for strain measurement on lever arms of scanning probe microscopes. In general, they can be attached to semiconductor strain gauges (semiconductor strain gauges) to determine the strain of the semiconductor material or the material on which the semiconductor strain gauge is placed. The manner in which MOSFETs are to be attached to semiconductor strain gauges corresponds to the previously described exemplary embodiments. One or more MOSFETs can be integrated on the semiconductor strain gauge, the MOSFET channels being arranged in selected crystallographic directions on the n- or p-doped semiconductor materials. With single-crystal silicon the MOSFET channels are preferably 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 of any orientation are also suitable.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1.Dehnungsmesser zur Messung der Dehnung einkri¬ stallinen, als Halbleiterdehnungsmeßstreifen eingesetzten Halbleitermaterials, mit am Halbleitermaterial befestigtem MOSFET (8 bis 13) zur Anzeige der Dehnung, dessen elektrische Signale als Maß für die Dehnung des Halbleitermaterials (1) dienen d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel zur Erzeugung eines konstanten Source- Drain-Stromes vorgesehen sind.1. Strain gauge for measuring the strain einkri¬ stallinen, used as a semiconductor strain gauge semiconductor material with attached to the semiconductor material MOSFET (8 to 13) for displaying the strain, the electrical signals serve as a measure of the strain of the semiconductor material (1) characterized in that means for Generation of a constant source-drain current are provided.
2.Verfahren zur Messung der Dehnung einkristallinen Halbleitermaterials mittels am Halbleitermaterial befestigtem MOSFET (8 bis 13) , dessen elektrische Signale als Maß für die Dehnung des Halbleiterma- terials (1) dienen d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Source-Drain Spannung bei konstantem Source- Drain-Strom gemessen wird. 2.Method for measuring the strain of single-crystalline semiconductor material by means of a MOSFET (8 to 13) attached to the semiconductor material, the electrical signals of which serve as a measure for the strain of the semiconductor material (1), characterized in that the source-drain voltage with constant source-drain Current is measured.
PCT/DE1995/001446 1994-10-19 1995-10-14 Expansion gauge for measuring the expansion of single-crystalline semiconductor material WO1996012935A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DEP4437306.6 1994-10-19
DE4437306A DE4437306C2 (en) 1994-10-19 1994-10-19 Strain gauge for measuring the strain of a single-crystal semiconductor material used as a semiconductor strain gauge

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1996012935A1 true WO1996012935A1 (en) 1996-05-02

Family

ID=6531130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1995/001446 WO1996012935A1 (en) 1994-10-19 1995-10-14 Expansion gauge for measuring the expansion of single-crystalline semiconductor material

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE4437306C2 (en)
WO (1) WO1996012935A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19638860A1 (en) * 1996-09-23 1998-03-26 Rene Baltus Weighing cell fabricated from layered materials
DE19740763C2 (en) * 1997-09-16 2001-06-07 Forschungszentrum Juelich Gmbh Lever arm for an atomic force microscope

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2143553A1 (en) * 1971-06-29 1973-02-09 Sescosem
JPH02184728A (en) * 1989-01-10 1990-07-19 Honda Motor Co Ltd Semiconductor stress sensor
EP0441324A1 (en) * 1990-02-06 1991-08-14 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Semiconductor sensor

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4191057A (en) * 1978-06-28 1980-03-04 Gould Inc. Inversion layer sprain gauge
US4873871A (en) * 1988-06-17 1989-10-17 Motorola, Inc. Mechanical field effect transistor sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2143553A1 (en) * 1971-06-29 1973-02-09 Sescosem
JPH02184728A (en) * 1989-01-10 1990-07-19 Honda Motor Co Ltd Semiconductor stress sensor
EP0441324A1 (en) * 1990-02-06 1991-08-14 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Semiconductor sensor

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CANALI ET AL: "Piezoresistivity effects in MOS-FET useful for pressure transducers", JOURNAL OF PHYSICS D APPLIED PHYSICS., vol. 12, LETCHWORTH GB, pages 1973 - 1983 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 465 (P - 1114) 9 October 1990 (1990-10-09) *
TORTONESE M ET AL: "ATOMIC RESOLUTION WITH AN ATOMIC FORCE MICROSCOPE USING PIEZORESISTIVE DETECTION", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 62, no. 8, 22 February 1993 (1993-02-22), pages 834 - 836, XP000338616 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE4437306C2 (en) 1997-03-06
DE4437306A1 (en) 1996-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1141673B1 (en) Method and device for simultaneously determining the adhesion, friction, and other material properties of a sample surface
DE102005003684B4 (en) Fine adjustment mechanism for scanning probe microscopy
DE69233641T2 (en) Manufacturing method for integrated aligned tunnel tip pairs
DE69633067T2 (en) MULTIDIMENSIONAL CAPACITIVE SENSOR
DE10106854B4 (en) Micro probe and device for measuring a sample surface
DE10047793B4 (en) Rotational
DE69923999T2 (en) ELECTROSTATIC FORCE SENSOR WITH BOOM AND SHIELDING
EP1994395B1 (en) Method for determining a dopant concentration in a semiconductor sample
WO2007088018A1 (en) Miniaturized spring element and method for producing the latter
WO2004075204A2 (en) Measuring system for the combined scanning and analysis of microtechnical components comprising electrical contacts
DE69820380T2 (en) Semiconductor strain sensor, method for its production and scanning probe microscope
DE10043731C2 (en) Measuring probe, its use and manufacture and measuring system for detecting electrical signals in an integrated semiconductor circuit
EP3754329B1 (en) Hydrogen sensor and method for producing the same, measuring device and method for measuring hydrogen concentration
WO1996012935A1 (en) Expansion gauge for measuring the expansion of single-crystalline semiconductor material
DE4229558C2 (en) Accelerometer
DE19740049A1 (en) Sensor for determining rotation angle
EP3256863B1 (en) Method of measuring local electrical fields using a scanning probe microscope
EP2199769A2 (en) Force measuring device
EP0611945B1 (en) Force microscope and method for measuring atomic forces in several directions
EP2502876B1 (en) Micromechanical device with a cantilever and an integrated electrical device
WO1992008101A1 (en) Device for measuring linear dimensions on a patterned surface
DE102017202455B4 (en) MEMS- or NEMS-based sensor and method for operating such
EP0407835B1 (en) Atomic force microscope
DE102022122599B3 (en) Method for detecting a position of a target using a linear magnetic position sensor
DE69922418T2 (en) METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A MAGNETIC FIELD BY MEANS OF LORENCE POWER AND PIEZOELECTRIC EFFECT

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase