專利名稱:制造具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種制造具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法,尤其涉及一種制造具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法,其中通過摻雜工藝和熱擴(kuò)散工藝形成電阻區(qū)。
背景技術(shù):
隨著諸如移動通信終端和電子便攜筆記本的微型產(chǎn)品的普及,對微型集成非易失記錄媒質(zhì)的需求在增加?,F(xiàn)有的硬盤不能容易地減小尺寸,也不能高度地集成閃速存儲器。因此,作為替代,已經(jīng)研究了利用掃描探針的信息存儲器件。
在各種掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)中使用了探針。例如,探針用于掃描隧道顯微鏡(STM),其通過探測當(dāng)將電壓施加到探針與樣品之間時(shí)產(chǎn)生的電流復(fù)制信息;用于原子力顯微鏡(AFM),其利用在探針與樣品之間的原子力;用于磁力顯微鏡(MFM),其利用來自于樣品的磁場與被磁化的探針之間的相互作用力;用于掃描近場光學(xué)顯微鏡(SNOM),其克服了因可見光的波長帶來的分辨率極限;和用于靜電力顯微鏡(EFM),其利用在樣品與探針之間的靜電力。
為了利用此類SPM技術(shù)以高速和高密度記錄和復(fù)制信息,探針必須能夠探測在直徑為幾十個(gè)納米的區(qū)域中存在的表面電荷,且必須制造成懸臂陣列以改善記錄和復(fù)制的速度。
圖1A是在韓國公開專利公告No.2001-45981中披露的具有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)溝道結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡的探針的透視圖。圖1B是圖1A中“A”部分的放大圖。
參考圖1A,通過蝕刻半導(dǎo)體基板20形成的探針10從半導(dǎo)體基板20以懸臂形式突出。該探針10連接到位于探針10兩側(cè)的電極焊盤20a和20b。
參考圖1B,在探針10的V-形尖端的傾斜表面形成源極區(qū)11和漏極區(qū)13,且在源極區(qū)11與漏極區(qū)13之間尖端的中部形成溝道區(qū)12。
由于探針10的尖端位于懸臂的末端,因此將具有半徑為幾十納米的尖端的探針制造成陣列形狀是困難的。在現(xiàn)有技術(shù)中,已經(jīng)通過包括氧化工藝的幾種工藝制造出具有半徑為幾十納米的尖端的探針,從而在懸臂上垂直地形成尖端。
然而,在高度為幾微米的尖端形成后,隨后的光刻工藝的精密度嚴(yán)重地變差。結(jié)果,難以形成其間插置短溝道的源極區(qū)和漏極區(qū)。此外,由于在光刻工藝中導(dǎo)致的對準(zhǔn)誤差,因此即使通過擴(kuò)散法可以實(shí)現(xiàn)短溝道,也難以在尖端中部的末端對準(zhǔn)短溝道。
圖2A和圖2B是用于說明利用在其中形成有源極電極11和漏極電極13的MOSFET尖端復(fù)制信息的方法的示意性橫截面圖。
參考圖2A,摻雜p-型雜質(zhì)的V-形MOSFET尖端10包括在其傾斜表面形成的摻雜n-型雜質(zhì)的源極區(qū)11和漏極區(qū)13。傳統(tǒng)的MOSFET尖端10在記錄媒質(zhì)15的表面上方移動以響應(yīng)于表面電荷17的極性探測沿著溝道12流動的電流。這樣,就判定了表面電荷17的極性和強(qiáng)度。
圖2B是MOSFET尖端10的峰部的放大圖,示意性地圖解了耗盡區(qū)14擴(kuò)散的狀態(tài)。
參考圖2B,當(dāng)探針的尖端10位于記錄媒質(zhì)15內(nèi)的正表面電荷17上方時(shí),由于正表面電荷17的電場,導(dǎo)致?lián)诫sp-型雜質(zhì)的溝道區(qū)12的空穴在尖端的末端耗盡。
當(dāng)該電場比導(dǎo)致耗盡區(qū)達(dá)到其最大尺寸的電場強(qiáng)時(shí),在尖端的末端形成少數(shù)載流子電子的溝道。當(dāng)施加更高的電場時(shí),由于施加到源極區(qū)11與漏極區(qū)13之間的電壓,因此形成接觸源極區(qū)11和漏極區(qū)13的電子溝道,且電流通過溝道流動。
換句話說,傳統(tǒng)的MOSFET尖端只有當(dāng)表面電荷產(chǎn)生的電場高于能夠形成直達(dá)源極區(qū)和漏極區(qū)的少數(shù)載流子溝道的閾值電場值時(shí),才起到晶體管的作用。由于不能探測到產(chǎn)生小于閾值電場值的電場的表面電荷,因此MOSFET探針10只能在有限的范圍內(nèi)工作,而且MOSFET探針10的靈敏度不高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制造具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法,該電阻尖端具有利用自對準(zhǔn)方法提高的電場靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的一方面,提供了一種制造半導(dǎo)體探針的方法,該半導(dǎo)體探針包括懸臂以及形成于懸臂的端部上用第一雜質(zhì)摻雜的尖端,其中在尖端的峰部形成用第二雜質(zhì)輕度摻雜的電阻區(qū),且在尖端的傾斜表面形成用第二雜質(zhì)重度摻雜的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū),第二雜質(zhì)的極性與第一雜質(zhì)的極性相反,該方法包括(a)在摻雜第一雜質(zhì)的基板上形成條狀掩模層并通過在未被掩模層覆蓋的基板上重度摻雜第二雜質(zhì)形成第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū),第二雜質(zhì)的極性與第一雜質(zhì)的極性相反;(b)通過退火基板使第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)之間的距離變窄并在第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)的外邊界形成輕度摻雜第二雜質(zhì)的電阻區(qū);(c)以預(yù)定的形狀構(gòu)圖掩模層并蝕刻未被構(gòu)圖后的掩模層覆蓋的基板的部分頂部表面來形成電阻尖端;以及(d)蝕刻基板的底部表面來形成具有在其端部形成的電阻尖端的懸臂。
步驟(b)可以通過允許由擴(kuò)散第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)而獲得的電阻部分相互接觸而形成尖端成形部分。
步驟(c)可以進(jìn)一步包括在垂直于掩模層的方向形成條狀光致抗蝕劑,以及執(zhí)行蝕刻工藝使掩模層成為矩形形狀。
步驟(c)可以進(jìn)一步包括從基板上去除構(gòu)圖后的掩模層以及在氧環(huán)境下退火基板以在包括尖端的基板的表面上形成預(yù)定厚度的氧化物層;以及去除氧化物層來尖銳化電阻區(qū)的末端。
步驟(c)可以通過擴(kuò)散在基板的上部分上相互接觸的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)來形成尖端形成部分。
優(yōu)選地,第一雜質(zhì)為p-型雜質(zhì)且第二雜質(zhì)為n-型雜質(zhì),或第一雜質(zhì)為n-型雜質(zhì)且第二雜質(zhì)為p-型雜質(zhì)。
圖1A是傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡的探針的透視圖;圖1B是圖1A的“A”部分的放大圖;圖2A是用于說明記錄媒質(zhì)利用傳統(tǒng)的MOSFET尖端探測表面電荷的方法的示意性橫截面圖;圖2B是用于說明如何在傳統(tǒng)的MOSFET尖端形成溝道的原理的示意性橫截面圖;
圖3為示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的示意性橫截面圖;圖4是用于說明圖3的探針中如何擴(kuò)大耗盡區(qū)的原理示意圖;圖5A到5I是說明根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造探針的方法的示意性透視圖;圖6A到6E為示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例形成電阻區(qū)的步驟的模擬曲線圖;圖7是用于說明利用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造的探針復(fù)制信息的方法的示意圖;以及圖8是用于說明利用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造的探針記錄信息的方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的制造具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法。在圖中示出的層和區(qū)的厚度為了清晰被放大。
圖3為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造的半導(dǎo)體探針的電阻尖端的示意性橫截面圖。
參考圖3,半導(dǎo)體探針的尖端50包括摻雜第一雜質(zhì)的本體58;在尖端的峰部形成的用第二雜質(zhì)輕度摻雜的電阻區(qū)56;在探針的傾斜表面形成的用第二雜質(zhì)重度摻雜的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)52和54,電阻區(qū)56插置在它們之間。第一雜質(zhì)為p-型雜質(zhì)且第二雜質(zhì)為n-型雜質(zhì)。做為選擇,第一雜質(zhì)為n-型雜質(zhì)且第二雜質(zhì)為p-型雜質(zhì)。
記錄媒質(zhì)的表面電荷57的數(shù)量差異導(dǎo)致電場的強(qiáng)度差異。電場的強(qiáng)度差異導(dǎo)致電阻區(qū)56的電阻值的差異。可以根據(jù)電阻值的變化探測表面電荷的極性和強(qiáng)度。
圖4為示出在根據(jù)本發(fā)明的電阻尖端中耗盡區(qū)的擴(kuò)大的示意性橫截面圖。
在如圖2B中所示的傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管(FET)尖端10中,當(dāng)耗盡區(qū)達(dá)到它的最大尺寸時(shí),就會在尖端的末端形成少數(shù)載流子電子的溝道。當(dāng)形成的電子溝道與源極區(qū)11和漏極區(qū)13接觸時(shí),電流在源極區(qū)11與漏極區(qū)13之間流動。因而,表面電荷的極性可以基于電流的強(qiáng)度判定。然而,在圖4中所示的電阻尖端50中,雖然耗盡區(qū)68沒有延伸到第一半導(dǎo)體電極區(qū)52和第二半導(dǎo)體電極區(qū)54,但是由于耗盡區(qū)68充當(dāng)非導(dǎo)體而縮小了電阻區(qū)56的體積。結(jié)果,電阻區(qū)56的電阻值改變了,因而可以探測表面電荷57的極性和強(qiáng)度。由于用于感測表面電荷的閾值電場降低了,因此圖4所示的半導(dǎo)體探針在靈敏度方面比傳統(tǒng)的FET尖端優(yōu)越。
參考圖4,由于負(fù)表面電荷57產(chǎn)生的電場,在電阻區(qū)56中形成的耗盡區(qū)68逐漸向第一半導(dǎo)體電極區(qū)52和第二半導(dǎo)體電極區(qū)54延伸。
圖5A到5I是依次說明根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造半導(dǎo)體探針的方法的透視圖。
首先,在摻雜第一雜質(zhì)的硅基板31或絕緣體上硅(SOI)基板的表面上形成諸如硅氧化物層或硅氮化物層的掩模層33。然后在掩模層33的表面上沉積光致抗蝕劑35,并在光致抗蝕劑35的上方設(shè)置條狀掩模38(參考圖5A)。
接下來,如圖5B所示,通過光刻和蝕刻工藝在基板31上形成條狀掩模層33a,然后在除了掩模層33a之外的部分重度摻雜第二雜質(zhì)以形成第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34。由于第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34的電阻率低,因此它們可以充當(dāng)導(dǎo)體。接下來,通過對基板31執(zhí)行退火工藝使第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34之間的距離小于掩模層33a的寬度。如圖5C所示,當(dāng)用第二雜質(zhì)重度摻雜的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34擴(kuò)展時(shí),第二雜質(zhì)向相鄰于32和34區(qū)的部分?jǐn)U散以形成摻雜低濃度雜質(zhì)的區(qū)域,即,電阻區(qū)36。在掩模層33a下的電阻區(qū)36互相接觸以形成電阻尖端的尖端形成部分,其將在下文描述。可以由熱氧化工藝實(shí)現(xiàn)電阻區(qū)36之間的接觸,其將在下文描述。
然后,如圖5D所示,在基板31上沉積另一光致抗蝕劑37來覆蓋掩模層33a,且然后在光致抗蝕劑37上面垂直于掩模層33a的方向上設(shè)置條狀光掩模38。然后,如圖5E所示,通過曝光、顯影和蝕刻工藝形成具有與光掩模38相同形狀的光致抗蝕劑層37a。
接下來,如圖5F所示,蝕刻沒有被條狀光致抗蝕劑層37a覆蓋的部分掩模層33a來形成矩形掩模層33b。
接下來,如圖5G所示,去除光致抗蝕劑層37a,使用矩形掩模層33b作為掩模蝕刻基板31以將第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34置于尖端30的傾斜表面處(參考圖5I),且在尖端30的峰部對準(zhǔn)電阻區(qū)36(參考圖5H)。
在去除掩模層33b之后,在氧環(huán)境下加熱基板以在基板上形成預(yù)定厚度的硅氧化物層(未顯示)。當(dāng)去除氧化物層時(shí),電阻區(qū)的末端變尖銳。通過這一熱氧化工藝,可以使分開的電阻區(qū)36彼此接觸。
然后,蝕刻基板31的底部表面以形成具有固定在其末端上的電阻尖端的懸臂41。通過將第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34連接到基板31上的電極焊盤39來制得如圖5I所示的半導(dǎo)體探針。電極焊盤39被絕緣層43絕緣。
在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的制造半導(dǎo)體探針的方法中,在制造尖端30之前執(zhí)行離子注入工藝來形成第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34,從而可以執(zhí)行精細(xì)的光刻工藝,且通過熱擴(kuò)散工藝可以容易地形成電阻區(qū)36。
圖6A到6E為示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的形成電阻區(qū)的步驟的計(jì)算機(jī)模擬曲線圖。在圖6A到6E中,為和圖5A到5I基本相同的元件賦予了相同的參考標(biāo)號。
首先,參考圖6A,當(dāng)向用濃度為1015的p-型雜質(zhì)摻雜的硅基板31上的掩模層33之外的部分離子注入n-型雜質(zhì)時(shí),從基板31的外表面到基板31的內(nèi)部的部分依次摻雜從1021到1015的雜質(zhì)。由于用第二雜質(zhì)重度摻雜的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34具有非常低的電阻率,因此它們充當(dāng)導(dǎo)體。
然后,如圖6B所示,通過退火工藝將第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34之間的距離變得比掩模33的寬度小,且由于雜質(zhì)的進(jìn)一步擴(kuò)散使得以濃度為1021摻雜雜質(zhì)的部分?jǐn)U展。同樣,第二雜質(zhì)擴(kuò)散到相鄰于用高濃度雜質(zhì)摻雜的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)32和34的部分來形成用低濃度雜質(zhì)摻雜的區(qū)域,即,電阻區(qū)36。
接下來,利用已構(gòu)圖的矩形掩模層33b作為掩模蝕刻基板31以形成如圖6C所示的尖端形狀。
去除矩形掩模層33b后在氧環(huán)境下加熱基板31,在尖端的表面上形成硅氧化物層,以使如圖6D中描述的尖端尖銳化?;ハ喾珠_的電阻區(qū)36彼此接觸,從而形成電阻區(qū)的端部。
然后,去除氧化物層,從而形成如圖6E所示的尖銳的尖端。
下面將參考
利用通過根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的探針制造方法制造的探針記錄和復(fù)制信息的方法。
圖7是用于說明利用具有用p-型雜質(zhì)摻雜的電阻區(qū)的探針探測正表面電荷的信息復(fù)制方法的示意圖。
參考圖7,在第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)52和54用高濃度p-型雜質(zhì)摻雜且電阻區(qū)56用低濃度p-型雜質(zhì)摻雜的情況下,當(dāng)尖端置于正表面電荷57上方時(shí),由于電荷57產(chǎn)生的電場,因此在尖端末端的電阻區(qū)56中形成耗盡區(qū)。
由于耗盡區(qū)起到非導(dǎo)電區(qū)的作用,因此減小了電阻區(qū)56的范圍,從而增加了電阻值。當(dāng)電源51和電流表A連接到第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)52和54時(shí),,就能夠探測到由電阻區(qū)56的電阻值變化而引起的電流變化。結(jié)果,通過電阻尖端50可以探測到正表面電荷57。當(dāng)尖端置于負(fù)表面電荷上方時(shí),不會形成耗盡區(qū),因而電阻值幾乎不變或變化很小。結(jié)果,可以識別出表面電荷的極性。負(fù)電荷可以定義為二進(jìn)制0,正電荷可以定義為二進(jìn)制1,反之亦然。
利用具有用低濃度n-型雜質(zhì)摻雜的電阻區(qū)56的尖端50探測正表面電荷復(fù)制信息的方法類似于圖7中說明的,因而省略其詳細(xì)說明。
圖8為示出利用具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針在記錄媒質(zhì)53上記錄信息的方法的示意圖。
參考圖8,為了在記錄媒質(zhì)53上記錄信息,將同樣的電壓施加到尖端50的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)52和54以及本體部分58中,支撐介質(zhì)層59的底部電極55接地,以在尖端50的峰部與記錄媒質(zhì)53的底部電極55之間形成電場。在這里,即使將相同的電壓施加到第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)52和54,也可以在尖端50與底部電極55之間形成電場以在記錄媒質(zhì)53上記錄信息。
在形成電場之后,產(chǎn)生記錄媒質(zhì)53中鐵電體的介質(zhì)極化57,從而可以形成表面電荷或改變現(xiàn)存表面電荷的極性。正電荷可以定義為二進(jìn)制0,負(fù)電荷可以定義為二進(jìn)制1,反之亦然。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了特別的顯示和說明,但是應(yīng)當(dāng)理解的是,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在不背離權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下,對其中的實(shí)施例做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
如上所述,根據(jù)制造本發(fā)明的具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法,可以通過自對準(zhǔn)方法在尖端的峰部中心形成存在于半導(dǎo)體電極區(qū)之間的電阻區(qū),且可以通過熱擴(kuò)散工藝形成用第二雜質(zhì)輕度摻雜的電阻區(qū),從而簡化了半導(dǎo)體探針制造工藝。根據(jù)這個(gè)制造方法,可以在懸臂的末端上垂直設(shè)置的尖端處實(shí)現(xiàn)較小寬度的電阻區(qū)。因此,易于利用掃描探針顯微鏡技術(shù)制造納米尺度裝置來探測在記錄媒質(zhì)上的小區(qū)域中存在的少量正表面電荷。
此外,當(dāng)將以上述方式制造的探針應(yīng)用到緊湊、大容量的利用掃描探針顯微鏡技術(shù)的信息存儲器件時(shí),可以探測在小區(qū)域中存在的電荷以記錄和復(fù)制信息。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體探針的方法,該半導(dǎo)體探針包括懸臂和在所述懸臂的端部上形成的摻雜第一雜質(zhì)的尖端,其中在所述尖端的峰部形成用第二雜質(zhì)輕度摻雜的電阻區(qū),在所述尖端的傾斜表面形成用所述第二雜質(zhì)重度摻雜的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū),所述第二雜質(zhì)的極性與所述第一雜質(zhì)的極性相反,所述方法包括(a)在摻雜第一雜質(zhì)的基板上形成條狀掩模層以及通過在未被所述掩模層覆蓋的基板上重度摻雜第二雜質(zhì)形成第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū),所述第二雜質(zhì)的極性與所述第一雜質(zhì)的極性相反;(b)退火所述基板使所述第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)之間的距離變窄并在所述第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)的外邊界形成用所述第二雜質(zhì)輕度摻雜的電阻區(qū);(c)以預(yù)定的形狀構(gòu)圖所述掩模層以及蝕刻未被所述構(gòu)圖后的掩模層覆蓋的所述基板的部分頂部表面來形成電阻尖端;以及(d)蝕刻所述基板的底部表面來形成具有在其端部形成的所述電阻尖端的懸臂。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其中步驟(b)通過允許由擴(kuò)散所述第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)獲得的所述電阻區(qū)相互接觸而形成尖端形成部分。
3.如權(quán)利要求1所述的方法,其中步驟(c)進(jìn)一步包括在垂直于所述掩模層的方向形成條狀光致抗蝕劑,以及執(zhí)行蝕刻工藝將所述掩模層變成矩形形狀。
4.如權(quán)利要求1所述的方法,其中步驟(c)進(jìn)一步包括從所述基板上去除構(gòu)圖后的掩模層以及在氧環(huán)境下退火所述基板以在所述基板的表面上形成預(yù)定厚度的氧化物層;以及去除所述氧化物層以尖銳化所述電阻區(qū)的末端。
5.如權(quán)利要求4所述的方法,其中步驟(c)通過擴(kuò)散在所述基板的上部分上相互接觸的所述第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)形成尖端形成部分。
6.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述第一雜質(zhì)為p-型雜質(zhì),且所述第二雜質(zhì)為n-型雜質(zhì)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述第一雜質(zhì)為n-型雜質(zhì),且所述第二雜質(zhì)為p-型雜質(zhì)。
全文摘要
提供了一種制造具有電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法。該方法包括在摻雜第一雜質(zhì)的基板上形成掩模層以及在未被掩模層覆蓋的基板上形成用第二雜質(zhì)重度摻雜的第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū),退火第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū),將第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)的第二參雜劑擴(kuò)散到彼此面對的部分以在第一和第二半導(dǎo)體電極區(qū)的外邊界形成用第二雜質(zhì)輕度摻雜的電阻區(qū),以預(yù)定的形狀構(gòu)圖掩模層并蝕刻未被構(gòu)圖后的掩模層覆蓋的基板的部分頂部表面來形成電阻尖端。
文檔編號H01L21/66GK1765011SQ200380110246
公開日2006年4月26日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月10日
發(fā)明者樸弘植, 丁柱煥, 洪承范 申請人:三星電子株式會社