(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端に探針部を有する半導体からなるカンチレバー部と、該カンチレバー部の基端部を支持する支持部と、前記カンチレバー部に設けられた電流変換検出素子とを備えた集積型ＳＰＭセンサにおいて、前記カンチレバー部の少なくとも端面部表面に高濃度拡散層を形成したことを特徴とする集積型ＳＰＭセンサ。
【請求項２】
前記高濃度拡散層を前記カンチレバー部に設けた電流変換検出素子を囲むように形成したことを特徴とする請求項１記載の集積型ＳＰＭセンサ。
【請求項３】
前記電流変換検出素子として、異なる２種類以上の検出素子を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の集積型ＳＰＭセンサ。
【請求項４】
前記電流変換検出素子として、カンチレバー部の探針近傍に設けた半導体光検出素子とカンチレバー部に設けた歪み検出素子を備えていることを特徴とする請求項３記載の集積型ＳＰＭセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）に用いられる集積型ＳＰＭセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９８０年代後半以降、エバネッセント波を用いることにより回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡が提案されている。この顕微鏡は、近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning near field optical microscope）と呼ばれている。このＳＮＯＭは、エバネッセント波が“波長より小さい寸法の領域に局在し、自由空間を伝搬しない”という特性を利用したものである。
【０００３】
ＳＮＯＭの測定原理は、まず、測定試料の表面近傍に１波長程度以下の距離までプローブを近づけて、プローブ先端の微小開口を通過する光強度の地図を作成することによって、測定試料に対する解像が成されるものである。ＳＮＯＭとしてはいくつかの方式が提案されているが、大別すると２つの方式が提案されている。その一つはコレクション方式と呼ばれ、試料の下から光を照射した時に、試料を透過し試料表面近傍に局在したエバネッセント波を、プローブを介して検出しＳＮＯＭ像とする方式である。他の方式は、微小開口を持ったプローブから試料に対して光を照射し、試料を透過した光を、試料下に設置された光検出器によって検出するという、いわゆるエミッション方式と呼ばれる方式である。この方式は、例えば特開平４−２９１３１０号（ＡＴ＆Ｔ；R. E. Betzig）に開示されている。
【０００４】
また、BinnigとRohrerらにより発明された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Scanning Tunneling Microscope ）におけるサーボ技術を始めとする要素技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し難かった絶縁性の試料を原子オーダーの精度で観察することのできる顕微鏡として、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Atomic Force Microscope ）が提案されている（特開昭６２−１３０３０２号：ＩＢＭ、Ｇ．ビニッヒ、サンプル表面の像を形成する方法及び装置）。
【０００５】
このＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして位置づけられる。ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカンチレバーを、試料に対向・近接させ、探針部の先端の原子と試料原子との間に働く相互作用力により、変位するカンチレバーの動きを電気的あるいは光学的にとらえて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、カンチレバーの探針部との位置関係を相対的に変化させることによって、試料の凹凸情報などを３次元的にとらえることができるようになっている。
【０００６】
このＡＦＭにおいては、カンチレバーの変位を測定する変位測定センサは、カンチレバーとは別途に設けるのが一般的である。しかし最近では、カンチレバー自体に変位を測定できる機能を付加した集積型ＡＦＭセンサが、M.Tortonese らにより提案されている。この集積型ＡＦＭセンサは、例えばM.Tortonese,H.Yamada, R.C.Barrett and C.F.Quate の論文“Atomic force microscopy using a piezoresistive cantilever ”（Transducers and Sensors '91 ）や、ＰＣＴ出願ＷＯ９２／１２３９８に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のM.Tortonese らにより提案されている集積型ＡＦＭセンサは、カンチレバーに歪みセンサを集積化したものであるが、同様に歪みセンサだけでなく、光検出機能をもつセンサや温度センサ、磁気センサ等を集積化することは容易に考えられる。またカンチレバー上に光センサと歪みセンサのように、複数のセンサを複合集積化することも容易に考えられる。
【０００８】
集積型ＡＦＭセンサに光センサを集積化することにより、ＳＮＯＭ測定に利用することが可能となる。このようなセンサとしては、例えばシリコンで形成されたカンチレバー上に光センサとしてＰＮフォトダイオードを集積化すること等が考えられる。
【０００９】
しかしながら、これらのセンサは電流変換検出センサであり、しかもその出力電流は微弱である。したがって、暗電流による影響は大きく、暗電流の発生を抑えなければ、検出感度の大幅な向上は期待できない。
【００１０】
ここで、暗電流の発生メカニズムについて説明する。半導体表面に光や熱が加わると、正孔−電子対が発生する。また半導体表面の荒れによっても正孔−電子対は発生する。このように発生した正孔−電子対は半導体中で分かれ、正孔はｎ型半導体へ、電子はｐ型半導体へ引き寄せられる。その結果、ｐ型半導体からなる基板からｎ型半導体からなる基板へ電位差が生じ、同方向に電流が流れる。フォトダイオードなどのセンサは、この性質を利用したものであるが、センサ部以外でも前述の外的作用により電流が発生する。これが暗電流となり、センサの感度を低下させる原因となっている。
【００１１】
次にシリコンカンチレバーにおける暗電流について説明する。まず，シリコンカンチレバーの製造工程を図８に基づいて説明する。スタートウェハ100 としては、図８の（Ａ）に示すように、シリコンウェハ101 の上に酸化シリコンの分離層102 を介してシリコン層103 を設けたもの、例えばｎタイプ〈１００〉貼り合わせウェハを用意する。このスタートウェハ100 のシリコン層103 の表面は鏡面加工されており、また分離層102 も〈１００〉面である。次に、図８の（Ｂ）に示すように、ウェハ100 の表面を熱処理して酸化シリコン膜104 を形成する。次に、フォトリソグラフィで探針形成部の酸化シリコン膜を残すように気相エッチング等によりエッチングを行い、表面に酸化シリコンマスク104aを形成し、次いでＫＯＨ等で異方性エッチングを行って探針105 を形成する。また裏面の支持部形成領域に窒化シリコン膜106 を形成する。
【００１２】
次いで、図８の（Ｃ）に示すように、探針105 とウェハ表面を熱処理して酸化シリコン膜107 を形成し、フォトリソグラフィでパターニングした後、ＫＯＨ等でエッチングし、カンチレバーの形状を形成する。最後に窒化シリコン膜106 をマスクとして裏面をエッチングして、支持部108 を形成した後、表面の酸化シリコン膜107 を取り除くことにより、最終的に図８の（Ｄ）に示すようなシリコンカンチレバー109 が形成される。
【００１３】
以上の工程から解るように、カンチレバー109 の探針105 の形成面と、その裏面は、〈１００〉面となり、それらの表面は滑らかである。一方、他の面は荒れており、この荒れにより、カンチレバーの側面では暗電流が発生する。また迷光や温度差による暗電流は、カンチレバーの全ての面で発生する可能性がある。
【００１４】
本発明は、従来の集積型ＳＰＭセンサにおける上記問題点を解消するためになされたもので、請求項１及び２記載の発明は、暗電流の発生を防止し検出感度の高い電流変換検出素子を備えた集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。また請求項３記載の発明は、検出感度の高い２種類以上の測定を行えるようにした集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とし、また請求項４記載の発明は、ＳＮＯＭ測定とＡＦＭ測定を同時に高感度で行えるようにした集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、自由端に探針部を有する半導体からなるカンチレバー部と、該カンチレバー部の基端部を支持する支持部と、前記カンチレバー部に設けられた電流変換検出素子とを備えた集積型ＳＰＭセンサにおいて、前記カンチレバー部の少なくとも端面部表面に高濃度拡散層を形成するものである。また請求項２記載の発明は、前記高濃度拡散層を前記カンチレバー部に設けた電流変換検出素子を囲むように形成するものである。
【００１６】
このように構成することにより、電流変換検出素子領域以外のカンチレバー部で発生した正孔−電子対は、表面に形成した高濃度不純物拡散層で再結合し、暗電流の発生は防止され、高検出感度の集積型ＳＰＭセンサを実現することができる。
【００１７】
また請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、電流変換検出素子を２種以上の検出素子で構成するものである。これにより高感度の２種類以上の測定を行える集積型ＳＰＭセンサを実現することができる。
【００１８】
また請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、電流変換検出素子を、半導体光検出素子と歪み検出素子とで構成するものである。これによりＳＮＯＭ測定とＡＦＭ測定を同時に高感度で行える集積型ＳＰＭセンサを実現することができる。
【００１９】
【実施例】
次に実施例について説明する。図１の（Ａ）は本発明に係る集積型ＳＰＭセンサの第１実施例を示す縦断面図で、図１の（Ｂ）は探針方向から見た平面図で、図１の（Ｃ）は図１の（Ａ）の矢印Ａ−Ａ′に沿った断面図で、図１の（Ｄ）は図１の（Ｂ）の矢印Ｂ−Ｂ′に沿った断面図である。この実施例の集積型ＳＰＭセンサは、支持部２から延びたＮ型シリコン基板からなるカンチレバー１の先端部に探針３を備えており、探針３の表面及びその周辺部にはＰ型シリコン層５が形成されている。そしてＰ型シリコン層５はＰ+ 型シリコン層６及びコンタクトホールを介して、アルミニウム等からなる電極８に接続されている。また同様にＰ型シリコン層５の端部から10μｍ以上離れたカンチレバー１の表面に、Ｎ+ 型シリコン層７が形成されており、コンタクトホールを介してアルミニウム等からなる電極９に接続されている。
【００２０】
そして電極８，９はそれぞれアルミニウム配線10，11を介してアルミニウムパッド12，13に接続されている。カンチレバー１の端面及び裏面には１×1019cm-3程度の不純物濃度のＮ型高濃度拡散層14が一体的に形成されており、そしてカンチレバー１の全体は、コンタクトホールと探針３の先端部を除いてシリコン酸化膜４で覆われている。なお、Ｐ+ 型シリコン層６とＮ+ 型シリコン層７は、電極８，９とＰ型シリコン層５，及びカンチレバー１を構成しているＮ型シリコンとのオーミックコンタクトを取るために設けているものであり、Ｐ型シリコン層５及びＮ型シリコンそれぞれの濃度が十分高く、オーミックコンタクトが取れるならば、Ｐ+ 型シリコン層６とＮ+ 型シリコン層７は、必ずしも必要ではない。
【００２１】
次に、このように構成した集積型カンチレバーの動作について説明する。動作時には、電極８と９の間には、３〜４ボルトの逆バイアスの電圧を印加しておく。電極８と９の間のＰ型シリコン層５とＮ型シリコン（カンチレバー１）はＰＮフォトダイオードを形成しており、電極８，９間にはＰ型シリコン層５が形成されている探針３に入射した光の光量に比例した電流が流れ、配線10，11及びパッド12，13を介して検出することができる。この際、カンチレバー１の探針３及び電極８，９の配置部分以外の表面で発生した正孔−電子対は直ちに高濃度拡散層で捕捉されて再結合し、カンチレバー内部において暗電流となって発生することは阻止される。したがって、本実施例の集積型ＳＰＭセンサによれば、暗電流の発生が抑えられ、ノイズの少ない、より高感度のＳＮＯＭ測定を行うことができる。
【００２２】
また上記実施例では、高濃度拡散層をカンチレバーの裏面側の表面及び端面の表面に形成したものを示したが、図２の変形例に示すように、Ｐ+ 型シリコン層６とＮ+ 型シリコン層７から十分距離を置くことにより、カンチレバー１の内部に高濃度拡散層14を設けても構わない。また上記実施例では、カンチレバーの探針形成面側には高濃度拡散層を形成しないものを示したが、図３の（Ａ）の平面図及び図３の（Ｂ）の断面図に示すように、フォトダイオード部及びＰ+ 型シリコン層６及びＮ+ 型シリコン層７の形成部を除いて、探針形成面側の表面にも形成することが可能である。
【００２３】
また、カンチレバーの探針形成面とその裏面は滑らかで、暗電流の発生は他の側面部に比べて小さいので、図４の断面図に示すように、この両面には高濃度拡散層を形成しないで、カンチレバーの側面部の表面にのみ形成するように構成しても、かなりの暗電流抑制効果が得られ、有効である。
【００２４】
次に、第２実施例について説明する。図５の（Ａ）は第２実施例の縦断面図で、図５の（Ｂ）は一部省略した探針側から見た平面図である。この実施例は、第１実施例の集積型ＳＰＭセンサにおけるカンチレバー１上にピエゾ抵抗16を設けて歪み検出素子とし、ＡＦＭ測定を同時に行えるように構成したものである。ピエゾ抵抗16の両端部にはアルミニウムパッド17，18を介してアルミニウム配線19，20を接続し、電流の変化を検出して歪みを測定するようになっている。そして高濃度拡散層14は探針側の面以外のカンチレバー１の表面部に形成している。
【００２５】
ピエゾ抵抗16からなる歪み検出素子は電流変換検出素子であるため、光検出素子と同様に暗電流の影響を受ける。したがって、本実施例のように光検出素子と歪み検出素子とを設けたカンチレバーの表面に高濃度拡散層を形成することにより、光検出素子と歪み検出素子の両方から暗電流の影響を取り去ることができ、高感度のＳＮＯＭ測定が行えると共に、ノイズの少ない高感度のＡＦＭ測定を同時に行うことができる。
【００２６】
この実施例では、高濃度拡散層14はカンチレバー１の探針側の表面には形成しないようにしたものを示したが、図６の（Ａ），（Ｂ）の縦断面図及び横断面図に示すように、カンチレバー１の探針側の表面にも、ピエゾ抵抗16と光センサ部を囲むように、高濃度拡散層14を設けてもよい。
【００２７】
また、上記各実施例においては、図７の（Ａ）の拡大図に示すように、Ｐ型シリコン層５を探針３の先端部まで形成したものを示したが、図７の（Ｂ）に示すように、Ｐ型シリコン層５は探針３の先端部には形成せず、探針３の先端部はＮ型シリコン層で形成する構成としてもよい。また図７の（Ｃ），（Ｄ）に示すように、探針先端部以外にアルミニウム等からなる遮光膜21を形成し、遮光するように構成してもよい。
【００２８】
なお、上記各実施例においては、カンチレバーの形状を略Ｉ字型としたものを示したが、Ｕ字型やＥ字型のカンチレバーを用いた集積型ＳＰＭセンサにも、本発明は同様に適用できるものである。
【００２９】
また上記各実施例では、Ｎ型シリコン基板をベースとしてカンチレバーを構成したものを示したが、Ｐ型シリコン基板をベースにしてＰ型シリコン層とＮ型シリコン、Ｐ+ 型シリコン層とＮ+ 型シリコン層を、それぞれ逆の導電型にして構成してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上実施例に基づいて説明したように、請求項１及び２記載の発明によれば、カンチレバー部内での暗電流の発生は防止され、暗電流の影響を除去した高感度の集積型ＳＰＭセンサを実現することができる。また請求項３記載の発明によれば、暗電流の影響を除去した高感度の２種類以上の測定を行えるようにした集積型ＳＰＭセンサを提供することができる。また請求項４記載の発明によれば、暗電流の影響を除去した高感度のＳＮＯＭ測定とＡＦＭ測定を同時に行えるようにした集積型ＳＰＭセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る集積型ＳＰＭセンサの第１実施例を示す図である。
【図２】図１に示した第１実施例の変形例を示す縦断面図である。
【図３】図１に示した第１実施例の他の変形例を示す横断面図である。
【図４】図１に示した第１実施例の更に他の変形例を示す横断面図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す図である。
【図６】図５に示した第２実施例の変形例を示す図である。
【図７】第１及び第２実施例における探針部の構成例を示す図である。
【図８】従来の集積型ＳＰＭセンサの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１  カンチレバー
２  支持部
３  探針
４  シリコン酸化膜
５  Ｐ型シリコン層
６  Ｐ+ 型シリコン層
７  Ｎ+ 型シリコン層
８，９  電極
10，11  配線
12，13  パッド
14  高濃度拡散層
16  ピエゾ抵抗
17，18  パッド
19，20  配線
21  遮光膜
【図１】
0003590109.tif 000002
【図２】
0003590109.tif 000003
【図３】
0003590109.tif 000004
【図４】
0003590109.tif 000005
【図５】
0003590109.tif 000006
【図６】
0003590109.tif 000007
【図７】
0003590109.tif 000008
【図８】
0003590109.tif 000009