專利名稱:具有高分辨率電阻尖端的半導(dǎo)體探針和制造其的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體探針及其制造方法,更具體而言,涉及具有一種 具有高分辨率電阻尖端的半導(dǎo)體探針及該半導(dǎo)體探針的制造方法,該高分辨 率電阻尖端具有用于控制雜質(zhì)的分布的摻雜控制層。
背景技術(shù):
隨著比如移動(dòng)電話的便攜裝置的需求增加,對(duì)于小尺寸、高集成度非易 失記錄介質(zhì)的需求也增加了。難于減小常規(guī)的硬盤的尺寸且難于增加常規(guī)的 閃存的集成度。因此,近年來(lái),許多研究已經(jīng)關(guān)注于使用掃描探針的信息存 儲(chǔ)裝置。
探針被用于各種掃描探針顯微(SPM)技術(shù)中。例如,探針被用于掃描 隧道顯微鏡鏡(STM)中,以通過(guò)探測(cè)根據(jù)探針和樣品之間的電壓差而流動(dòng) 的電流來(lái)讀取信息;探針被用于原子力顯微鏡(AFM)中,以通過(guò)使用在探 針和樣品之間產(chǎn)生的原子力來(lái)讀取信息;探針被用于磁力顯微鏡(MFM) 中,以通過(guò)使用在樣品的磁場(chǎng)和磁化的探針之間產(chǎn)生的力來(lái)讀取信息;探針 被用于掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)中,以改善由可見(jiàn)光的波長(zhǎng)導(dǎo)致的分 辨率限制;探針被用于靜電力顯微鏡(EFM)中,以通過(guò)使用樣品和探針之 間產(chǎn)生的靜電力來(lái)讀取信息,等等。
為了使用STM技術(shù)以高速密集地寫和讀信息,必須可以探測(cè)在具有幾 十納米的直徑的區(qū)域中存在的表面電荷。另外,為了改善寫/讀速度,必須可 以制造陣列結(jié)構(gòu)中的懸臂。
在PCT公開(kāi)NO. WO 03/096409中公開(kāi)了具有電阻尖端的常規(guī)懸臂。
圖l是具有電阻尖端的常規(guī)懸臂的剖面圖。
電阻尖端10以陣列結(jié)構(gòu)豎直地排列在懸臂11上。參考圖1,電阻尖端 10包括用第一雜質(zhì)摻雜的本體14、形成于尖端IO的頂點(diǎn)上且用第二雜質(zhì)摻 雜的電阻區(qū)13、和電阻區(qū)13在其之間形成的第一和第二半導(dǎo)體電極12和 15。電阻區(qū)13具有幾十納米的直徑。第一和第二半導(dǎo)體電極12和15用第 二雜質(zhì)摻雜。
在形成電阻尖端IO的工藝中,形成于尖端IO的傾斜表面上的第一和第 二半導(dǎo)體電極12和15被過(guò)度濕法蝕刻,由此減小了重?fù)诫s的傾斜表面的面 積。因此,在傾斜表面中的導(dǎo)電面積減小,造成電阻區(qū)13的空間分辨率惡 化。另外,在制造工藝中,在進(jìn)行蝕刻工藝之后將形成探針的部分可能由于 約300keV的比較高的注入能而被損傷。另外,存在不僅進(jìn)行熱擴(kuò)散工藝即 在IOOO'C下12小時(shí)的退火工藝的需求,而且還存在進(jìn)行IOO(TC下30-40 分鐘的熱氧化工藝的需求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有高分辨率電阻尖端的半導(dǎo)體探針,該尖端具有摻 雜控制層。
本發(fā)明還提供了 一種制造具有高分辨率電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法, 該尖端具有摻雜控制層,其中使用比較低的能量進(jìn)行離子注入且熱退火工藝 時(shí)間縮短。
根據(jù)本發(fā)明的一方面,提供了一種半導(dǎo)體探針,其包括用第一雜質(zhì)摻 雜的懸臂;從懸臂的一端突出且用第二雜質(zhì)輕摻雜的電阻尖端;形成于電阻 尖端的突出部分的兩側(cè)上的摻雜控制層;和形成于摻雜控制層下且用第二雜 質(zhì)重?fù)诫s而形成的第一和第二電極區(qū)。
電阻尖端可以形成為方柱形狀,且具有小于100nm、優(yōu)選地在10-50nm 的范圍的寬度。
摻雜控制層可以由絕緣材料或金屬材料形成。 金屬材料可以選自由A1、 Ti、 W、 Sn、 Cu和Cr構(gòu)成的組。 根據(jù)本發(fā)明的另 一方面,提供了 一種制造具有形成于懸臂的一端上的電 阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法,所述方法包括在用第一雜質(zhì)摻雜的基板上形 成條圖案掩模;通過(guò)使用條圖案掩模來(lái)蝕刻基板來(lái)形成條圖案突出部分;在
條圖案突出部分的兩側(cè)上形成摻雜控制層;和通過(guò)基板的暴露的表面,在摻
雜控制層的側(cè)面部分,用第二雜質(zhì)摻雜基板來(lái)形成第一和第二電極區(qū)。
所述方法還可以包括在與條圖案突出部分以直角交叉的方向上在基板 上形成條圖案光敏層;通過(guò)使用條圖案光敏層作為掩模,蝕刻條圖案突出部
分和基板來(lái)形成電阻尖端;且通過(guò)蝕刻基板的底表面來(lái)形成懸臂,從而電阻 尖端位于懸臂的該端上。
形成摻雜控制層可以包括在條圖案掩模和基板上沉積絕緣材料或金屬 材料,且在條圖案突出部分的兩側(cè)上形成摻雜控制層,同時(shí)通過(guò)各向異性蝕 刻由沉積絕緣材料或金屬材料形成的層,從而暴露條圖案掩模和基板的表 面。
用于基板的離子注入能量小于10keV。
形成第一和第二電極區(qū)可以包括通過(guò)使用快速熱退火工藝處理基板來(lái) 激活第一和第二電極區(qū)。
條圖案掩模的寬度可以小于100nm。
參考附圖,通過(guò)詳細(xì)描述示范性實(shí)施例,本發(fā)明的以上和其他特征和優(yōu) 點(diǎn)將變得更加顯見(jiàn),在附圖中
圖l是具有電阻尖端的常規(guī)懸臂的剖面圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有高分辨率尖端的半導(dǎo)體探針的尖端部 分的剖面圖,該尖端具有摻雜控制層;
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有高分辨率尖端的半導(dǎo)體探針和記錄介 質(zhì)的剖面圖,該尖端具有摻雜控制層;
圖4A到4I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有高分辨率尖端的半導(dǎo)體探針的 制造方法的視圖,該尖端具有摻雜控制層;
圖5是當(dāng)?shù)谝缓偷诙姌O區(qū)形成而沒(méi)有形成摻雜控制層時(shí)的示例的視
圖6A和6B是示出沒(méi)有摻雜控制層的常規(guī)半導(dǎo)體探針以及根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施例的具有摻雜控制層的半導(dǎo)體^:針的電性能的曲線圖;和
圖7A和7B是示出沒(méi)有摻雜控制層的常規(guī)半導(dǎo)體探針以及根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施例的具有摻雜控制層的半導(dǎo)體探針的敏感度和分辨率性能的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將參考其中顯示本發(fā)明的實(shí)施例的附圖在其后更加全面地描述本發(fā) 明。在附圖中,為了清晰夸大了層和區(qū)域的厚度。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有高分辨率尖端的半導(dǎo)體探針的尖端部 分的剖面圖,該尖端具有摻雜控制層。
參考圖2,電阻尖端20形成于懸臂21的一端,尖端20由用第一雜質(zhì)摻 雜的硅基板形成且在豎直方向從懸臂21的表面向上突出。電阻尖端20具有 用與第一雜質(zhì)的極性不同的第二雜質(zhì)輕摻雜的低電阻區(qū)24。摻雜控制層25 形成于低電阻區(qū)24的突出部分兩側(cè),在懸臂21的表面上方。用第二雜質(zhì)重 摻雜的第一和第二電極區(qū)22和23形成于摻雜控制層25下。懸臂21、電阻 尖端20、以及第一和第二電極區(qū)22和23可以形成于摻雜雜質(zhì)的預(yù)定的工藝 的過(guò)程中。這里,第一雜質(zhì)可以為p型雜質(zhì)且第二雜質(zhì)可以為n型雜質(zhì)。
電阻尖端20的寬度W與將在后述的制造工藝中使用的掩模的寬度相 同。例如,當(dāng)電阻尖端20的寬度W為100nm時(shí),用于形成第一和第二電極 區(qū)22和23的離子注入能量可以減小到例如10keV。因此,在離子注入工藝 期間可以防止對(duì)于探針的損傷。第一和第二電極區(qū)22和23必須形成于由形 成在電阻尖端20的兩側(cè)的摻雜控制層25限定的區(qū)域中,由此改善了電阻尖 端20的敏感度,同時(shí)保持了其電流分辨率。根椐本實(shí)施例,電阻尖端20的 寬度W可以低于100nm,優(yōu)選地低于50nm,以提供高分辨率。
當(dāng)將砷(As)以10keV的離子注入能注入以形成第一和第二電極區(qū)22 和23時(shí),As密度的分布根據(jù)深度而變化。此刻,As密度變得最高的深度是 投影范圍(projected range)。 As密度變得最高的深度約為10nm。從離子注 入掩模的一端的As的橫向分布是從離子注入掩模的該端到投影范圍的As 分布的約30%-40%。另外,隨著電阻尖端20的寬度減小,電阻尖端20的空 間分辨率增加。然而,當(dāng)界定電阻尖端20的寬度的離子注入掩模的寬度減 小時(shí),可能難于防止由于在完成離子注入工藝之后進(jìn)行的熱退火工藝引起的 第一和第二電極區(qū)22和23之間的短路。該問(wèn)題可以通過(guò)提供在電阻尖端20 的兩側(cè)形成的摻雜控制層25和通過(guò)增加離子注入掩模的寬度來(lái)解決。當(dāng)摻 雜控制層25由金屬材料形成時(shí),它們可以作為電阻尖端20的屏蔽,由此改 善了空間分辨率。
第一和第二電極區(qū)22和23防止了記錄介質(zhì)的表面電荷影響除了電阻尖 端20以外的區(qū)域。因此,由記錄介質(zhì)的表面電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)導(dǎo)致了電阻尖 端20的電阻值的變化。表面電荷的極性和數(shù)量可以從電阻尖端20的電阻值 的變化而被精確地探測(cè)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有高分辨率尖端的半導(dǎo)體探針和記錄介 質(zhì)的剖面圖,該尖端具有摻雜控制層。
參考圖3,當(dāng)探測(cè)記錄介質(zhì)133的表面電荷137時(shí),通過(guò)為非導(dǎo)電的耗 盡區(qū)138來(lái)減小電阻尖端20的低電阻區(qū)24的面積,即使當(dāng)其延伸到第一和 第二電極區(qū)22和23。因此,記錄介質(zhì)133的表面電荷137的極性和數(shù)量可 以由于低電阻區(qū)24的變化的電阻值而被探測(cè)。顯示了由于通過(guò)表面電荷137 產(chǎn)生的電場(chǎng),形成于低電阻區(qū)24中的耗盡區(qū)138逐漸延伸到第一和第二電 極區(qū)22和23。因?yàn)樽鳛閷?dǎo)電層的第一和第二電極區(qū)22和23之間的短路可 以通過(guò)摻雜控制層25來(lái)防止,通過(guò)電阻尖端20保持了電流路徑,且容易制 造具有改善的空間分辨率的電阻尖端20。
圖4A到4I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有高分辨率尖端的半導(dǎo)體探針的 制造方法的視圖,該尖端具有摻雜控制層。
參考圖4A,在用第一雜質(zhì)摻雜的硅基板41上形成了比如氧化硅層或氮 化硅層的掩模層42,且在掩模層42上形成了光敏層43,在其之后在光敏層 43上設(shè)置了條圖案掩模44。
參考圖4B,通過(guò)使用曝光、顯影和蝕刻工藝,在基板41上形成了條圖 案掩模42a。此刻,條圖案掩模42a的寬度小于100nm,優(yōu)選地在10-50nrn 的范圍內(nèi)。
參考圖4C,使用條圖案掩模42a,將基板41干法蝕刻到小于100nm的 深度。結(jié)果,在基板41上形成了條圖案突出部分。該條圖案突出部分在后 面用作電子尖端區(qū)。
參考圖4D,為了在基板41上形成摻雜控制層45 (見(jiàn)圖4E),在基板 41上沉積比如Si02的絕緣材料或比如Al、 Ti、 W、 Sn或Cr的金屬材料, 且在垂直于基板41的方向進(jìn)行各向異性蝕刻工藝,由此暴露基板41的表面。 在條圖案突出部分的兩側(cè)表面上形成了摻雜控制層45。此刻,摻雜控制層 45的寬度小于條圖案突出部分的高度的三分之一。
參考圖4E,通過(guò)基板41的暴露的表面,用第二雜質(zhì)即As重?fù)诫s基板, 以形成第一和第二電極區(qū)51和52。此刻,離子注入能可以被降低,例如 10keV。即,因?yàn)閷?duì)于第一和第二電極區(qū)51和52沒(méi)有蝕刻工藝,第一和第 二電極區(qū)51和52的深度可以被減小,且由此可以降低離子注入能。
在完成離子注入工藝之后,進(jìn)行快速熱退火工藝來(lái)激活摻雜的雜質(zhì)。例
如,在1000。C的溫度下進(jìn)行幾秒和幾分鐘的快速熱退火工藝。因?yàn)?,在形?了摻雜控制層45之后,進(jìn)行了用于激活摻雜的雜質(zhì)的快速熱退火工藝,可 以防止在快速熱退火工藝過(guò)程中,通過(guò)電阻尖端的下部分,第一和第二電極 區(qū)51和52彼此接觸的現(xiàn)象。
圖5是當(dāng)?shù)谝缓偷诙姌O區(qū)形成而沒(méi)有形成摻雜控制層時(shí)的示例的視 圖。在該情形,第一和第二電極區(qū)51和52的第二雜質(zhì)被擴(kuò)散,將第一和第 二電極區(qū)51和52延伸到條圖案突出部分53中。此刻,如果條圖案突出部 分53的寬度非常窄,則第一和第二電極區(qū)51和52可以彼此接觸。因此, 如圖4E中所示通過(guò)形成摻雜控制層45,即使當(dāng)條圖案掩模42a的寬度非常 窄,也可以防止第一和第二電極區(qū)51和52之間的短路和第一和第二電極區(qū) 51和52之間的電阻區(qū)面積的減小。第一和第二電極區(qū)51和52的電阻非常 低,從而第一和第二電極區(qū)51和52作為導(dǎo)電區(qū)。
當(dāng)進(jìn)行快速熱退火工藝時(shí),重?fù)诫s的第一和第二電極區(qū)51和52之間的 部分由于熱擴(kuò)散而被輕摻雜第二雜質(zhì)。即,條圖案突出部分53下的部分以 及第一和第二電極區(qū)51和52可以為低電阻的區(qū),其通過(guò)熱擴(kuò)散被輕摻雜第 二雜質(zhì)?;蛘?,通過(guò)用第二雜質(zhì)輕摻雜已經(jīng)用第一雜質(zhì)摻雜的硅基板41,可 以預(yù)先形成低電阻的區(qū)域。
在完成離子注入工藝之后或在其他隨后的工藝完成之后,可以去除條圖 案掩模42a。
參考圖4F,在圖4E的所得結(jié)構(gòu)的頂表面上形成光敏層61,在光敏層 61上在與條圖案突出部分53以直角相交的方向上設(shè)置條圖案光掩模62。
參考圖4G,在光敏層61上進(jìn)行曝光、顯影和蝕刻工藝,以形成與條圖 案光掩模62形狀相同的條圖案光敏層63。
參考圖4H,使用條圖案光敏層63作為掩模,蝕刻條圖案突出部分53 以形成將成為電阻尖端53a的方柱突出。此刻,清楚的是,沒(méi)有在條圖案光 敏層63a下的基板51的暴露表面也被蝕刻。
參考圖41,當(dāng)從基板去除條圖案光敏層63a時(shí),電阻尖端53a形成為方 柱形狀且暴露在基板41上,摻雜控制層45a形成于尖端53a的兩側(cè)表面上。 第一和第二電極區(qū)51a和52a形成于摻雜控制層45a下。
然后,蝕刻基板41的底表面來(lái)形成懸臂,從而電阻尖端53a位于懸臂 的一端且電極墊連接到第一和第二電極區(qū)51a和52a。因?yàn)樾纬蓱冶鄣墓に?br>
對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講是公知的,所以將省略其詳細(xì)描述。
圖6A和6B是示出使用事務(wù)TC驅(qū)動(dòng)器(transaction TC drive TACD)的 沒(méi)有摻雜控制層的常規(guī)半導(dǎo)體探針以及具有摻雜控制層的半導(dǎo)體探針的電 性能即敏感度的模擬結(jié)果的曲線圖。對(duì)于該模擬,柵電極位于電阻尖端上方, 且電流在第一(源極)和第二(漏極)電極區(qū)之間提供。另夕卜,將0V或1.0V 的柵極電壓施加到柵電極,且將0或l.OV的電壓施加到第一和第二電極區(qū)。
圖6A顯示了在當(dāng)施加0V的柵極電壓的情形和當(dāng)施加1V的柵極電壓的 情形之間存在漏電流的很小的差別。圖6B顯示了當(dāng)施加IV的柵極電壓時(shí), 與施加0V的柵極電壓的情形相比,漏電流增加了高達(dá)兩倍。這顯示了當(dāng)形 成摻雜控制層時(shí),敏感度顯著提高。
敏感度的曲線圖,根據(jù)是否形成了摻雜控制層,電阻尖端的寬度變化。分別 形成了具有40、 50和80nm的寬度的三個(gè)電阻尖端。當(dāng)具有其上形成了摻雜 控制層的電阻尖端的半導(dǎo)體探針與其上沒(méi)有形成摻雜控制層的電阻尖端的 半導(dǎo)體探針比較,如圖7A所示,無(wú)論電阻尖端的寬度如何,具有摻雜控制 層的半導(dǎo)體探針的敏感度被顯示顯著地增加。
圖7B是示出圖7A的半導(dǎo)體探針的分辨率的曲線圖。參考圖7B,當(dāng)尖 端在寬度上彼此相同時(shí),無(wú)論摻雜控制層形成與否,尖端的分辨率也彼此相 同。這顯示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體探針的分辨率與具有幾百nm的分辨率的 現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體探針相比非常好。即,清楚的是,雖然本發(fā)明的半導(dǎo)體探針 的電阻尖端具有幾十納米的寬度,但是其分辨率也改善了,因?yàn)榈谝缓偷诙?電極區(qū)形成于電阻尖端的兩側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明,通過(guò)在電阻尖端的兩側(cè)形成摻雜控制層,即使當(dāng)電阻尖端 的寬度非常窄時(shí),也可以有效地形成下導(dǎo)電區(qū)。因此,半導(dǎo)體探針的敏感度 可以顯著增加,而不降低電阻區(qū)的分辨率。
另外,因?yàn)橐员容^低的能量進(jìn)行離子注入,所以可以防止對(duì)于探針的損 傷。另外,因?yàn)椴恍枰M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的離子擴(kuò)散工藝,雜質(zhì)的分布可以被精確 地控制,由此使得更容易制造期望的探針。
雖然參考其示范性實(shí)施例具體顯示和描述了本發(fā)明,然而本領(lǐng)域的一般
技術(shù)人員可以理解在不脫離由權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情 況下,可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的不同變化。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體探針,包括用第一雜質(zhì)摻雜的懸臂;從所述懸臂的一端突出且用第二雜質(zhì)輕摻雜的電阻尖端;形成于所述電阻尖端的突出部分的兩側(cè)上的摻雜控制層;和形成于所述摻雜控制層下且用所述第二雜質(zhì)重?fù)诫s而形成的第一和第二電極區(qū)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體探針,其中所述電阻尖端形成為方柱 形狀,且具有小于100nm的寬度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體探針,其中所述電阻尖端的寬度在10 -50nm的范圍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體探針,其中所述摻雜控制層由絕緣材 料或金屬材料形成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體探針,其中所述金屬材料選自由Al、 Ti、 W、 Sn、 Cu和Cr構(gòu)成的組。
6、 一種制造具有形成于懸臂的一端上的電阻尖端的半導(dǎo)體探針的方法, 所述方法包括在用第一雜質(zhì)摻雜的基板上形成條圖案掩模; 通過(guò)使用所述條圖案掩模來(lái)蝕刻所述基板來(lái)形成條圖案突出部分; 在所述條圖案突出部分的兩側(cè)上形成摻雜控制層;和 通過(guò)所述基板的暴露的表面,在摻雜控制層的側(cè)面部分,用第二雜質(zhì)摻 雜所述基板來(lái)形成第一和第二電極區(qū)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,還包括在與條圖案突出部分以直角相交的方向上,在所述基板上形成條圖案光 敏層;通過(guò)使用所述條圖案光敏層作為掩模,蝕刻所述條圖案突出部分和基板 來(lái)形成所述電阻尖端;且通過(guò)蝕刻所述基板的底表面來(lái)形成所述懸臂,從而所述電阻尖端位于所 述懸臂的該端上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述形成摻雜控制層包括在所述條圖案掩模和所述基板上沉積絕緣材料或金屬材料,且 在所述條圖案突出部分的兩側(cè)上形成摻雜控制層,同時(shí)通過(guò)各向異性蝕刻由沉積所述絕緣材料或所述金屬材料形成的層,從而暴露所述條圖案掩模和所述基板的表面。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中用于所述基板的離子注入能量小于10keV。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述形成第一和第二電極區(qū)包括通過(guò)使用快速熱退火工藝處理所述基板來(lái)激活第一和第二電極區(qū)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中所述條圖案掩模的寬度小于100nm。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述方法,其中所述金屬材料選自由Al、 Ti、 W、 Sn、 Cu和Cr構(gòu)成的組。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體探針及其制造方法。所述半導(dǎo)體探針包括用第一雜質(zhì)摻雜的懸臂;從所述懸臂的一端突出且用第二雜質(zhì)輕摻雜的電阻尖端;形成于所述電阻尖端的突出部分的兩側(cè)上的摻雜控制層;和形成于所述摻雜控制層下且用所述第二雜質(zhì)重?fù)诫s而形成的第一和第二電極區(qū)。
文檔編號(hào)G12B21/02GK101169981SQ200610142809
公開(kāi)日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月26日
發(fā)明者丁柱煥, 洪承范, 申炯澈, 金俊秀 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社;首爾國(guó)立大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力財(cái)團(tuán)