具有电阻性尖端的半导体探针及其制造方法

文档序号:6779848阅读:258来源:国知局
专利名称:具有电阻性尖端的半导体探针及其制造方法
技术领域
根据本发明的设备和方法涉及具有电阻性尖端(resistive tip)的半导体 探针及其制造方法,更具体而言,涉及一种半导体探针及其制造方法,该半 导体探针中保护电阻性尖端的电介质层和用于提高分辨率的电场屏蔽件在 所述电阻性尖端的顶部上形成平面。
背景技术
随着对诸如移动通讯终端和个人数字助理的小型电子装置的需求的增 大,出现了对超小型高度集成的记录介质的需求。但是,由于现有技术硬盘 难以实现进一步的小型化,且快闪存储器也难以实现更高的集成,所以正在 研究扫描探针存储作为 一种替代的信息存储方法。
扫描探针被用于各种扫描探针显微镜(SPM )技术。这些技术的例子包 括通过4全测根据施加于扫描探针和样品之间的电压差而流动的电流来生成 信息的扫描隧道显微镜(STM)、利用扫描探针和样品之间的原子力的原子 力显微镜(AFM)、利用样品的磁场和磁化的扫描探针之间的磁力的磁力显 微镜(MFM)、克服可见光的分辨率限制的扫描近场光学显微镜(SNOM)、 以及利用样品和扫描探针之间的静电荷的静电力显微镜(EFM )。
为了利用SPM技术实现高速、高密度信息读写,扫描探针必须能够探 测直径为数十纳米小的区域的表面电荷。此外,为了提高读写速度,必须以 阵列制造悬臂(cantilever )。
图1是国际专利公开No. WO 03/096409中公开的具有电阻性尖端50的 悬臂70的截面图。电阻性尖端50垂直地形成在悬臂70上,可以以阵列制 造悬臂70,且悬臂70可具有直径为数十纳米的电阻区56。
参考图1,半导体探针的电阻性尖端50包括掺杂有第一杂质的主体58、 位于电阻性尖端50的顶部并掺杂有低浓度第二杂质的电阻区56、以及位于 主体58的两侧斜面上并掺杂有高浓度第二杂质的第一和第二半导体电极区 52和54。
但是,在具有电阻性尖端50的半导体探针中,在用于形成电阻性尖端
50的湿法蚀刻工艺期间过蚀刻会减少高浓度掺杂的第 一和第二半导体电极 区52和54的斜面区域。相应地,减少了斜面上的导电区域,这增大了电阻 区56的尺寸和电阻,由此减小了关于电阻变化的空间分辨率。此外,在电 阻性尖端的末端存在磨损问题。
为了提高空间分辨率,已经对在电阻性尖端的斜面上具有电场屏蔽件的 半导体探针展开了研究。然而,尽管能够提高这类半导体探针的空间分辨率, 但是由于电阻性尖端的摩擦而降低了其性能。

发明内容
本发明提供一种半导体探针,其具有高的空间分辨率且能够保护电阻性 尖端的顶部。
本发明还提供一种半导体探针的制造方法。
根据本发明的一方面,提供一种具有电阻性尖端的半导体探针,包括 掺杂有第 一杂质的电阻性尖端,其中电阻区的顶部掺杂有低浓度的第二杂 质,所述第二杂质具有与所述第一杂质相反的极性,且在所述电阻性尖端的 斜面上形成掺杂有高浓度的第二杂质的第一和第二半导体电极区;形成于所 述电阻性尖端上的电介质层;电场屏蔽件,形成于所述电介质层上且与所述 电介质层一起形成在所述电阻性尖端的顶部上的平面;以及悬臂,具有所述 电阻性尖端位于其上的端部。
所述平面可具有5nm到500nm的直径。
形成于所述电阻性尖端的顶部上的电介质层可具有lnm到100nm的厚度。
所述半导体探针还可包括绝缘层,其围绕所述电介质层以扩展所述平面。
形成于所述电阻性尖端的顶部上的电介质层可具有lnm到100nm的厚度。
所述第 一杂质可以是p型杂质,所述第二杂质可以是n型杂质。 根椐本发明的另 一方面,提供一种具有电阻性尖端的半导体探针的制造 方法,包括(a)在掺有第一杂质的衬底的上表面上形成第一掩模,其具有 沿第 一方向呈条(stripe )形的第 一部分以及在所述第 一部分两侧的第 一 窗口 ;(b)采用第二杂质掺杂通过所述第一窗口暴露的所述衬底的第一区域,所述
第二杂质具有与所述第一杂质相反的极性;(c)通过退火所述衬底在所述第 一部分的下部上形成电阻区;(d)采用光致抗蚀剂构图所述第一掩模以形成 第二掩^:莫,所述光致抗蚀剂包括沿垂直于所述第一方向的第二方向呈条形的 第二部分以及在所述第二部分的两侧的第二窗口 ,所述第二掩模具有在所述
第一部分和所述第二部分交叉的区域上的矩形第三部分以及围绕所述第三 部分的第三窗口; (e)通过蚀刻经所述第二掩模暴露的衬底来形成阱和从所 述阱突出的电阻性尖端;(f)在所述衬底上依次形成电介质层和导电层;(g) 在所述导电层上形成覆盖所述阱的绝缘层;(h)采用化学机械抛光(CMP) 对所述绝缘层进行抛光,直到暴露所述导电层;(i)采用CMP对所述导电层 进行抛光,直到暴露所述电介质层;以及(j)通过构图所述衬底形成具有所 述电阻性尖端位于其上的末端的悬臂。
所述第一部分和第二部分可具有50nm到2[im的宽度。
形成所述导电层可包括形成所述导电层至lnm-100nm的厚度。 形成所述阱和电阻性尖端还可包括去除所述第三部分,且通过在氧气
氛下退火所述衬底而在所述衬底的表面上形成具有预定厚度的氧化物膜;以
及通过去除所述氧化物膜使所述电阻区的端部呈锥形。
形成所述氧化物膜可包括使所述电阻区在所述第三部分的下部上相互接触。
抛光所述导电层还可包括通过蚀刻所述绝缘层而去除所述绝缘层。 抛光所述导电层还可包括在所述电阻性尖端的顶部上形成所述电介质 层与所述导电层一起的平面。
所述平面可具有5nm到500nm的直径。
形成所述悬臂可包括在所述电阻性尖端上形成所述电介质层、导电层和 绝缘层的平面。


通过参考附图详细描述其示范性实施例,本发明的上述和其他方面将变 得更加显见,在附图中
图1是具有现有技术电阻性尖端的悬臂的一部分的截面图2是具有根据本发明 一示范性实施例的电阻性尖端的半导体探针的一
部分的截面图3是示出具有根据本发明一示范性实施例的图2所示的电阻性尖端的 半导体探针的操作的截面图4是具有根据本发明另 一示范性实施例的电阻性尖端的半导体探针的 一部分的截面图5A到5K是示出具有根据本发明一示范性实施例的电阻性尖端的半 导体探针的示范性制造方法的透视图和截面图;以及
图6是示出图1所示的现有技术半导体探针和根据本发明一示范性实施 例的图2所示的半导体探针的空间分辨率的模拟结果的曲线图。
具体实施例方式
现在将参考示出了本发明的示范性实施例的附图更为充分地描述本发 明。在附图中,为了清晰起见,夸大了层和区域的厚度。
图2是具有根据本发明一示范性实施例的电阻性尖端150的半导体探针 的一部分的截面图。
参考图2,半导体探针的电阻性尖端150垂直地形成于悬臂170的末端 上。电阻性尖端150包括〗参有第一杂质的主体158、形成于电阻性尖端150 的顶部上且掺有低浓度第二杂质的电阻区156、以及分别位于主体158的两 侧斜面上并掺有高浓度第二杂质的第一和第二半导体电极区152和154。这 里,第一杂质可以是p型杂质,第二杂质可以是n型杂质。
在电阻性尖端150上形成电介质层160,在电阻性尖端150的两斜面处 在电介质层160上形成电场屏蔽件162。电介质层160可由SiCb或S^N4形 成,电场屏蔽件162可由例如Al或多晶硅形成。
电介质层160可在电阻性尖端150的顶部形成至l-100nm的厚度。电场 屏蔽件162与电介质层160 —起在电阻性尖端150的顶部形成平面164。该 平面可具有例如5到500nm的直径。
电介质层160防止电阻性尖端150受到磨损,平面164防止根据本发明 示范性实施例的半导体探针在接触所要探测的目标时受到磨损,因为平面 164为电阻性尖端150提供了更宽的接触区域。
电场屏蔽件162防止记录介质153 (参考图3)的表面电荷影响电阻区
156之外的区域,即第一和第二半导体电极区152和154。由表面电荷生成 的电场引起了电阻区156的电阻差异。因此,由所述电阻差异,能够精确测 量表面电荷的极性和量。
图3是具有根据本发明一示范性实施例的图2所示的电阻性尖端的半导 体探针的放大横截面图。
现在,将参考图3描述具有根据本发明一示范性实施例的电阻性尖端 150的半导体探针的操作。
当根据本发明一示范性实施例的电阻性尖端150探测记录介质153的表 面电荷157时,电阻区156的电阻改变,因为耗尽区168减小了电阻区156 的面积,即使耗尽区168未扩展至第一和第二半导体电极区152和154。相 应地,电阻的改变使记录介质153的表面电荷157的极性和量得到检测。形 成于电阻区156中的耗尽区168通过由表面负电荷157生成的电场向第一和 第二半导体电极区152和154扩散。特别地,提高了具有根据本发明一示范 性实施例的电阻性尖端150的探针的空间分辨率,因为除了电阻区156以外 电阻性尖端150的整个区域被电场屏蔽件162覆盖。
图4是具有根据本发明另 一示范性实施例的电阻性尖端的半导体探针的 一部分的截面图。采用类似的附图标记表示与图2和图3中的元件基本相同 的元件,因而将省略其详细i兌明。
参考图4,半导体探针的电阻性尖端150'垂直地形成于悬臂170的末端 上。在电阻性尖端150'上形成电介质层160,在电阻性尖端150'的斜面处在 电介质层160上形成电场屏蔽件162。绝缘层163进一步形成在电场屏蔽件 162周围。绝缘层163的上表面与电场屏蔽层162和电介质层160的上表面 一起形成平面166。平面166防止了电阻性尖端150'受到磨损,因为平面166 与所要探测的目标之间具有宽阔的接触面积。
图4的电阻性尖端150'的功能与图2的电阻性尖端150基本相同,因而 将不再重复其详细说明。
图5A到5K是示出具有根据本发明一示范性实施例的电阻性尖端的半 导体探针的制造方法的透视图和截面图。
参考图5A,在掺有第一杂质的硅或绝缘体上硅(SOI)衬底231的表面 上形成氧化硅或氮化硅掩模膜233。在掩模膜233上涂覆光致抗蚀剂235之 后,其中形成了两个窗口 W的掩模238设置于衬底231上。 参考图5B,通过执行曝光、显影和蚀刻工艺,在衬底231上形成具有 两个第一窗口 Wl的第一掩模233a。第一掩模233a的两个窗口 Wl之间的 第一部分P1的宽度可利用掩模238来控制,且可以是50nm到2pm。
接下来,通过以高浓度的第二杂质掺杂除了第一掩模233a区域之外的 第一窗口 wi区域形成第一和第二半导体电极区232和234。第一和第二半 导体电极区232和234用作导体,因为第一和第二半导体电极区具有非常低 的电阻。
图5C是沿图5B中的5C-5C线得到的截面图。参考图5C,当衬底231 被退火时,通过使第二杂质从掺有高浓度第二杂质的第一和第二半导体电极 区232和234扩散而形成电阻区236。电阻区236是掺有第二杂质的低浓度 区域。这里,电阻区236可以在第一部分Pl的下面发生接触。可以通过在 接下来的退火工艺中在第一和第二半导体电极区232和234之间连续形成电 阻区236而实现电阻区236的接触,将稍后描述该退火工艺。
参考图5D,在涂覆光致抗蚀剂层239以覆盖衬底231的上表面上的第 一掩模233a之后,将与第一掩模233a类似的具有两个窗口 W'的光掩模240 置于光致抗蚀剂层239之上。这里,定位光掩模240使得两个窗口 W'之间 的第二部分P2垂直交叉第一掩模233a的第一部分Pl,从而自对准电阻性 尖端的位置。
参考图5E,对光致抗蚀剂层239执行曝光、显影和蚀刻工艺以形成与 光掩模240具有相同形状的光致抗蚀剂层239a。光掩模240控制第二部分 P2的宽度,其可以是50nm到2(im。
参考图5F,在对未被光致抗蚀剂层239a覆盖的第一掩模233a进行干法 蚀刻之后去除光致抗蚀剂层239a,以形成包括第三窗口 W3和位于第三窗口 W3内的矩形第三部分P3的第二掩模233b。
图5G到图5K是沿图5F的5G-5G线得到的截面图。参考图5G,通过 采用第二掩模233b作为掩模蚀刻衬底231的第三窗口区域形成阱(well) WL,电阻性尖端230从阱WL突出。
接下来,在去除第二掩模233b之后,通过在氧气氛下氧化衬底231预 定时段,可在衬底231的表面上形成氧化物膜(未示出)。接下来,可以通 过去除氧化物膜形成在所述电阻区中的电阻性尖端的锥形顶部(tapered apex )。
参考图5H,在去除第二掩模233b之后,电介质层241例如Si02层在衬 底231上形成至l-100nm的厚度。接下来,在电介质层241上沉积导电层 242例如多晶硅层,在导电层242上形成绝缘层244例如硼磷硅酸盐玻璃 (BPSG)层。导电层242可形成至l-100nm的厚度。
参考图51,采用相关于绝缘层244具有高蚀刻选择性的浆料(slurry), 通过化学机械抛光(CMP)对绝缘层244进行抛光。例如,如果绝缘层244 是BPSG层且导电层242是多晶硅层,则采用相关于BPSG层具有大于20:1 的蚀刻选择性的Si02 CMP浆料,这里,多晶硅层242用作CMP停止层。
参考图5J,采用相关于导电层242具有高蚀刻选择性的浆料通过CMP 对导电层242进行抛光。例如,如果导电层242是多晶硅层且电介质层240 是Si02层,则采用相关于多晶硅层具有大于20:1的高蚀刻选择性的SiCMP 浆料,这里,Si02层244用作CMP停止层。
接下来,通过蚀刻从衬底231去除绝缘层244。
参考图5K,通过构图工艺形成电阻性尖端230的形状。可以通过现有 技术光刻执行所述构图工艺,因而将省略其详细说明。
通过上述制造方法,在电阻性尖端230的斜面上形成第一和第二半导体 电极区232和234,且电阻区238自对准在电阻性尖端230的顶部。此外, 在电阻性尖端230的斜面上形成了电介质层241和电场屏蔽件242。
接下来,通过蚀刻衬底231的下表面形成悬臂270,使得电阻性尖端230 位于悬臂270的末端,且第一和第二半导体电极区232和234连接至电极焊 盘(未示出)。于是,完成了根据本发明一示范性实施例的半导体探针的制 造。
在上述制造工艺中,如果省略了图51中绝缘层244的去除,则可形成 图4所示的半导体探针。
图6是示出图1所示的现有技术半导体探针和根据本发明该示范性实施 例的图2所示的半导体探针的空间分辨率的模拟结果的曲线图。
对于该模拟而言,沿跨越所述半导体电极区和所述电阻性尖端的顶部的 方向提供浮置电压的金属位于距所述电阻性尖端的顶部20nm处。在所述金 属中形成具有10nm直径的浮置开口。向所述金属施加+lV和-IV的浮置电 压。
参考图6,可以看出,与现有技术半导体探针的电阻性尖端相比,根据
本发明一示范性实施例的半导体探针的电阻性尖端在正电荷和负电荷之间 具有更锐利的转变宽度。这是因为形成于根据本发明该示范性实施例的半导 体探针的电阻性尖端的电阻区的两侧的电场屏蔽件提高了电阻区的空间分
在具有根据本发明示范性实施例的电阻性尖端的半导体探针中,在电阻 性尖端的顶部的电阻区上的电场屏蔽件避免了电场影响电阻区以外的区域, 由此提高了空间分辨率。
此外,形成于电阻区上的电介质层以及由所述电场屏蔽件和电介质层形 成的平面避免了电阻区受到磨损。
在具有根据本发明示范性实施例的电阻性尖端的半导体探针的制造方
法中,在形成电场屏蔽件的同时,电阻区自对准在电极区之间。
此外,可以通过使用形成电场屏蔽件的导电层和作为蚀刻停止层的电介 质层在电阻区上准确地形成由电介质层和导电层构成的平面。
针用于大容量超小型信息存储设备中时,所述设备可以通过在小区域内检测 或形成电荷而记录或读耳又。
尽管已经参考本发明的示范性实施例对本发明进行了具体的图示和文 字描述,但是本领域的普通技术人员应当理解,在不背离由权利要求界定的 本发明的精神和范围的情况下可以对其做出各种形式和细节上的改变。
权利要求
1.一种具有电阻性尖端的半导体探针,包括电阻性尖端,其掺有第一杂质,且其顶部掺有较低浓度的第二杂质,所述第二杂质与所述第一杂质极性相反,其中在所述电阻性尖端的斜面上形成掺有较高浓度的第二杂质的第一和第二半导体电极区;形成于所述电阻性尖端上的电介质层;电场屏蔽件,其形成于所述电介质层上,且与所述电介质层一起在所述电阻性尖端的顶部上形成平面;以及悬臂,具有所述电阻性尖端位于其上的端部。
2. 根据权利要求1所述的半导体探针,其中所述平面具有5nm到500nm 的直径。
3. 根据权利要求2所述的半导体探针,其中所述电介质层在所述电阻 性尖端的顶部具有lnm到100nm的厚度。
4. 根据权利要求1所述的半导体探针,还包括绝缘层,其围绕所述电 介质层以扩散所述平面的面积。
5. 根据权利要求5所述的半导体探针,其中所述电介质层在所述电阻 性尖端的顶部具有lnm到100nm的厚度。
6. 根据权利要求1所述的半导体探针,其中所述第一杂质为p型杂质, 所述第二杂质为n型杂质。
7. 根据权利要求1所述的半导体探针,其中所述第一杂质为n型杂质, 所述第二杂质为p型杂质。
8. —种制造具有电阻性尖端的半导体探针的方法,包括 在掺有第一杂质的衬底的上表面上形成第一掩模,其具有沿第一方向呈条形的第 一部分以及在所述第 一部分两侧的第 一窗口 ;用第二杂质掺杂通过所述第一窗口暴露的所述衬底的第一区域,所述第二杂质具有与所述第一杂质相反的极性;通过退火所述衬底在所述第一部分的下部上形成电阻区; 采用光致抗蚀剂构图所述第 一掩模以形成第二掩模,所述光致抗蚀剂包 括沿垂直于所述第一方向的第二方向呈条形的第二部分以及位于所述第二 部分两侧的第二窗口 ,所述第二掩4莫具有在所述第一部分和所述第二部分交 叉的区域上的矩形第三部分以及围绕所述第三部分的第三窗口;通过蚀刻经所述第二掩模暴露的衬底来形成阱和从所述阱突出的电阻性尖端;在所述衬底上依次形成电介质层和导电层; 在所述导电层上形成覆盖所述阱的绝缘层; 采用化学机械抛光对所述绝缘层进行抛光,直到暴露所述导电层; 采用化学机械抛光对所述导电层进行抛光,直到暴露所述电介质层;以及通过构图所述衬底形成具有末端的悬臂,所述电阻性尖端位于该末端上。
9. 根据权利要求8所述的方法,其中所述第一部分和第二部分具有50nm 到2pm的宽度。
10. 根据权利要求8所述的方法,其中形成所述电介质层包括形成所述 电介质层至lnm-100nm的厚度。
11. 根据权利要求8所述的方法,其中形成所述导电层包括形成所述导 电层至lnm-100nm的厚度。
12. 根据权利要求8所述的方法,其中形成所述阱和电阻性尖端还包括 去除所述第三部分,且通过在氧气氛下退火所述衬底而在所述衬底的表面上形成具有预定厚度的氧化物膜;以及通过去除所述氧化物膜使所述电阻区的端部呈锥形。
13. 根据权利要求12所述的方法,其中形成所述氧化物膜包括使所述 电阻区在所述第三部分的下部上相互接触。
14. 根据权利要求8所述的方法,其中抛光所述导电层还包括通过蚀刻 所述绝缘层而去除所述绝缘层。
15. 根据权利要求14所述的方法,其中抛光所述导电层还包括在所述 电阻性尖端的顶部上形成所述电介质层连同所述导电层的平面。
16. 根据权利要求15所述的方法,其中所述平面具有5nm到500nm的 直径。
17. 根据权利要求8所述的方法,其中形成所述悬臂包括在所述电阻性 尖端的顶部上形成所述电介质层、所述导电层和所述绝缘层的平面。
18. 根据权利要求8所述的方法,其中所述第一杂质为n型杂质,所述 第二杂质为P型杂质。
19.根据权利要求8所述的方法,其中所述第一杂质为p型杂质,所述 第二杂质为n型杂质。
全文摘要
本发明提供一种具有电阻性尖端的半导体探针以及所述半导体探针的制造方法。所述半导体探针包括电阻性尖端,其掺有第一杂质,且其顶部掺有低浓度的第二杂质,所述第二杂质与所述第一杂质极性相反,其中在所述电阻性尖端的斜面上形成掺有高浓度第二杂质的第一和第二半导体电极区;形成于所述电阻性尖端上的电介质层;电场屏蔽件,其形成于所述电介质层上,且连同所述电介质层一起在所述电阻性尖端的顶部上形成平面;以及具有末端的悬臂,所述电阻性尖端位于所述末端上。
文档编号G11B9/00GK101183566SQ20071018676
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月16日 优先权日2006年11月16日
发明者丁柱焕, 朴哲民, 洪承范, 高亨守 申请人:三星电子株式会社
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