(57)【要約】  本発明は、基板（２）上で安定化された薄膜を含む薄膜構造物を作製するための方法に関する。薄膜（１）の構造は、少なくとも１つの第１の化学種を含む材料により定義される。この方法は、第１の化学種の粒子を薄膜（１）の中に入力して、上記膜の表面からの原子空孔の流れを補償する段階を含む。
2009514204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２）上に薄膜（１）を含み、薄膜（１）の構造が少なくとも１つの第１の化学種を含む材料により定義され、前記膜の表面から来る原子空孔流を補償する方法により前記薄膜（１）の中に前記第１の化学種の粒子を導入する段階を特徴とする、薄膜構造物を作製する方法。
【請求項２】
薄膜が半導体材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
薄膜がシリコンまたはゲルマニウムからなる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
薄膜がＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ、ＧａＮ、（ＧａＩｎＡｌ）Ｎから選択される定義された化合物または合金からなる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
薄膜が単一の材料からなる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
薄膜が複数の化学的要素からなる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
薄膜が第１の化学種と異なる第２の化学種によりドーピングされる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
薄膜が歪んでいる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
基板が非結晶化材料と結晶性化合物から選択される材料で製造される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
基板がＳｉＯ２またはＨｆＯ２からなる非晶質材料、またはＳｉＯ２またはサファイアＡｌ２Ｏ３からなる結晶性化合物から選択される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記構造を不安定化する傾向のある段階を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記構造を不安定化する傾向のある段階の時のデウエッティングを防止するような方法により粒子の導入が行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
原子空孔数が導入される粒子数よりも実質的に少ない、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
粒子の導入がイオン注入により行われる、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
粒子導入段階時に基板がマスク（３’）により被覆される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
粒子導入段階時に膜がマスク（３）により被覆される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
粒子の導入が前記粒子を放出する化学反応による前記粒子の生成により行われる、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
化学反応が酸化である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記構造を不安定化する傾向のある段階の前に粒子の導入段階が行われる、請求項１１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
粒子の導入段階の後、ならびに前記構造を不安定化する傾向のある段階の前に行われる熱処理段階を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
粒子の導入段階が前記構造を不安定化する傾向のある段階と同時に行われる、請求項１１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
充填されるべき原子空孔の量を決定する段階を更に含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
導入されるべき粒子の量を実験的に評価または決定する予備的な段階を含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
（Ｃ表面−Ｃｚ）／（Ｃ表面−Ｃ体積）＝ｅｒｆ［０．５＊ｚ／（Ｄ体積＊ｔ）０．５］
式中、Ｃｚは時間ｔで表面から距離ｚにおける原子空孔濃度であり、Ｃ表面（Ｃ体積）は表面（体積）原子空孔濃度であり、Ｄ体積は原子空孔の体積拡散係数であり、ならびにｅｒｆは誤差関数であるフィック拡散式
と、表面および体積原子空孔形成およびマイグレーションの知られているエネルギーとを用いて、評価が行われる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
デウエッティングの防止に充分な粒子を組み入れるための最適の調整に対応する最適の操作点が決定される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
ドーピング段階を更に含むことを特徴とする、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法により入手可能な薄膜構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜構造物を作製する方法および得られる薄膜構造物に関する。
【０００２】
特に、本発明は、特にセミコンダクターオンインシュレータタイプの素子、例えばシリコンの場合にはＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）素子を作製するために基板上の薄膜（通常、１００ｎｍ未満の厚さの）の形態学的不安定性を安定化することに関する。本発明は、この明細書中では以降ＸＯＩ（Ｘオンインシュレータ（ここで、Ｘは関連の半導体の化学式を表す））と示される、セミコンダクターオンインシュレータスタック中の固相デウエッティングを防止する。実際、本発明は、固相デウエッティング（ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ）が例えばアニーリング時に観察されないほど充分にこの現象を遅延させる。
【背景技術】
【０００３】
基板上の薄膜の形態学的不安定性または構造不安定性は、レンガ状生成の多数の技術の製造を阻止する。この不安定化は、アニーリングなどの技術段階時に、またはエピタキシャル応力または機械的応力が存在する場合には、異なる膨張係数の材料においては温度変動から生じるものなどの技術段階時に起こる。不安定化の度合いは、膜および基板の表面エネルギーの間の差に比例する。これは、表面欠陥、界面における欠陥またはバルク欠陥の存在により増幅または加速可能であり、膜の厚さに逆比例する。ＳＯＩ素子においては、上記のタイプの問題が起こりやすい１０ｎｍ未満の厚さの膜の入手を追求するのが今日では通常行われることである。
【０００４】
デウエッティングおよびスプレッディング（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）は形態学的不安定性の顕著な結末である。本発明が関連する技術分野においては、固相デウエッティングは、層が基板上で初期的に占有する領域の低下と定義される。対照的に、スプレッディングは、領域の増加と定義される。ある特別な場合には、不安定性は層と基板の間の領域を変化させず、図１に示すように層のエンベロープのみを変える。
【０００５】
単結晶性薄層の構造不安定性を説明するのに伝統的に使用される仮説は、材料の表面拡散（Ｈ１）、関連する結晶配向に依存する表面（および界面）エネルギー（Ｈ２）、工程から生じる機械的応力（生じたものであれ、または意図的に印加されたものであれ）（Ｈ３）、および合金の場合には層の化学的分解（Ｈ４）である。多結晶性薄層の場合には、粒界の影響は、考慮されるべきもう一つの不安定化要因である。
【０００６】
形態学的不安定性を軽減する通常の解決策は、Ｈ１、Ｈ２およびＨ３中に起こる現象を制御する材料中に薄層をカプセル化することである。例えば、ＳＯＩ層がＳｉの熱酸化物または天然の酸化物の薄い（約１．５ｎｍ厚）表面層を保持する場合には、Ｓｉ膜は高温（８５０℃以上）でも極めて安定となり、Ｓｉの表面拡散は阻止され（Ｈ１）、ＳｉＯ２の表面エネルギーはＳｉのそれよりも小さく、ならびに弾性的な拘束は大きな温度変動においても低い状態に保たれる。しかしながら、いくつかの場合、例えばエピタキシャル再成長においては、カプセル化の使用は残りの工程と不適合である。更には、この層を除去しても、これは、その後初期の薄層の残存する化学的コンタミネーションを生じ、材料の予期される性質を変えるか、または他の不安定性を導入する可能性がある。
【０００７】
表面エネルギー差（Ｈ２）と関連付けられるデウエッティングを軽減し、および／または表面拡散（Ｈ１）を変えるために、低表面張力の界面活性剤（例えば、シリコン膜に対するアンチモンまたは窒化ガリウム膜に対するガリウムまたはビスマス）を使用することも想定可能である。しかしながら、この解決策は同一の欠点（清浄化の困難性）を有する。
【０００８】
文献「Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ：Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｇ−Ｎｉ−Ｏ」，Ｈ．ｄｅ  Ｍｏｎｅｓｔｒｏｌ，Ｌ．Ｓｃｈｍｉｒｇｅｌｄ−Ｍｉｇｎｏｔ，Ｓ．Ｐｏｉｓｓｏｎｎｅｔ，Ｃ．Ｌｅｂｏｕｒｇｅｏｉｓ，ａｎｄ  Ｇ．Ｍａｒｔｉｎ，Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １１（１００３）３７９−３９０は、表面が原子空孔（ｖａｃａｎｃｉｅｓ）の無限の源であり、いくつかの層厚について図２に示すように、層（Ｃ）と基板（Ｓ）の界面（Ｉ）の近傍における原子空孔の凝縮を引き起こすことができる、連続的な原子空孔流が表面と体積の間に存在するということを開示している。ある濃度以上では、原子空孔は連結して、層のデウエッティングを生じ得る不安定性の源となる空洞を形成し、更には、図２で明白に判るように、層の厚さが低下するにしたがい、この効果は強くなる。
【０００９】
更には、これらの機構は、特に表面構造欠陥（例えば、ピンホール、新生転位、粗さなど）またはバルク構造欠陥（粒界）の存在により、ならびに化学的性状（化学量論的条件からの逸脱、異物および偏析の存在など）の欠陥の存在により、または薄層境界における条件（エッジ効果、幾何学効果、サイズおよび配向）により悪化するということが知られている。
【００１０】
シリコンイオンのイオン注入による非晶化に続く、アニーリングによりシリコンオンサファイア（ＳＯＳ）の結晶中のある欠陥を低減させる方法は、例えば、論文「Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｄｅｆｅｃｔｓ  ａｎｄ  ｓｔｒａｉｎ  ｉｎ  ０．２−μｍ−ｔｈｉｃｋ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｆｉｌｍｓ  ｂｙ  ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｓｏｌｉｄ−ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ」，Ｇｏｌｅｃｋｉ  Ｉ．ｅｔ  ａｌ．，ｉｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＡＩＰ，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｅｌｖｉｌｌｅ，ＮＹ，ＵＳ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ８；Ａｐｒｉｌ  １９８２（１９８２−０４）および「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｂｙ  ｉｏｎ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｕｒｎａｃｅ  ｒｅｇｒｏｗｔｈ」，Ｇｏｌｅｃｋｉ  Ｉ．ｅｔ  ａｌ．，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｂａｒｋｉｎｇ，ＧＢ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ７，Ｊｕｌｙ  １９８０に開示されている。
【００１１】
特許出願ＷＯ２００４／０９５  ５５３は基板上の歪んだ膜を含む構造の作製を説明している。基本的な原理は、イオン注入を使用して、層のスタック内（これらの一部の中／下）に欠陥領域を生じさせることに依存し、このようにして熱処理の前にこれらの一部の緩和を可能とさせる。
【００１２】
論文「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ＳＯＳ  ｆｉｌｍｓ  ｂｙ  ＳＩ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ」，Ｉｎｏｕｅ  Ｔ．ｅｔ  ａｌ．，ｉｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＆  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，ＮＬ，Ｖｏｌ．１８２／１８３，ｎｏ．Ｐａｒｔ  ２，Ａｐｒｉｌ  １９８１は、Ｓｉイオン注入および非晶化によりＳＯＳ膜の品質を改善する方法を説明している。
【００１３】
論文「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＳＯＳ  ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ／ｏｒ  ｏｘｙｇｅｎ」，Ｙａｍａｍｏｔｏ  Ｙ．ｅｔ  ａｌ．，ｉｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＆  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｓｅｃｔｉｏｎ−Ｂ：Ｂｅａｍ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  ａｔｏｍｓ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，ＮＬ，Ｖｏｌ．Ｂ７／８，ｎ．１，Ｐａｒｔ  １，Ａ  Ｍａｒｃｈ  １９８５は、特にＳＯＳタイプの素子に関係する方法に関する。この方法の目的は、基板からシリコン層へのアルミニウム原子の拡散を阻止することにより、結晶の品質を改善することである。これに対して、この著者は、シリコンを非晶化するように酸素イオンの注入または酸素イオンおよびシリコンイオンの共注入を推薦している。
【００１４】
最後に、米国特許第４，６１７，０６６号は、急峻なＰおよびＮ領域を有する結晶を作製する方法を提案する。この方法は、イオンを構造中に注入する前に非晶化段階を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、形態学的不安定性の問題に対する解決策は、体積拡散の影響、特に原子空孔拡散の役割を想定せず、現行の技術は、この分野における更に深刻な現象の一つの欠点への応答に関してやや不満な状態に留まっている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの種々の問題を解決し、それゆえ、特に薄膜を安定化して、形態学的不安定性、特にデウエッティングの発生を遅延（または更には防止）するために、本発明は、基板上に薄膜を含み、薄膜の構造が少なくとも１つの第１の化学種を含む材料により定義され、上記の膜の表面から来る原子空孔流を補償する方法で上記の薄膜の中に上記の第１の化学種の粒子を導入する段階を特徴とする、薄膜構造物を作製する方法を提案する。
【００１７】
このように、この薄膜の表面における原子空孔流は、上述の粒子の導入により少なくとも部分的に補償可能である。これはこの薄膜を安定化する。この意味で、これらの粒子を「規定数以上の粒子」、または好ましくは「規定数以上の原子」と呼ぶことができる。
【００１８】
このように、目的は、膜を構成する材料中に既に存在する化学的要素を更に導入することである。
【００１９】
この方法は特に半導体薄膜に使用可能である。この方法は、特に単一の材料からなる薄膜（ドーピングされた、またはドーピングされていない、拘束されたまたは拘束されていない）、特にセミコンダクターオンインシュレータ業界で使用される薄膜、特にシリコンおよびゲルマニウムに適用される。
【００２０】
この方法は、複数の要素または複数の材料からなる薄膜、特に定義された合金または化合物（ドーピングされた、またはドーピングされていない、歪まされたまたは歪まされていない）、例えばＳｉＧｅおよびＳｉＧｅＣ合金、定義された化合物、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）、および定義された化合物の合金、例えば（ＧａＡｌ）Ｎまたは（ＧａＩｎ）Ｎからなる膜にも適用される。
【００２１】
この場合には、平均組成は、層の固有の物理的性質を保持するように選択されなければならない。この目的のためには、規定数以上の粒子の導入は、定義された合金または化合物の平均組成に有利に対応する。このように、この薄膜は、有利には、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ、ＧａＮ、（ＧａＩｎＡｌ）Ｎから選択される定義された合金または化合物からなる。
【００２２】
本発明の意味における薄膜は、単結晶性または多結晶性のいずれかであるが、好ましくは不安定化を起こさないように充分に大きく、粒界の大部分により促進されている粒径ｄｇを有する。この条件を充たすこの粒径ｄｇの大きさの程度は、ｄｇ＞１０＊ｅ（ここで、ｅは薄膜の厚さである）である。
【００２３】
この基板は、好ましくはセミコンダクターオンインシュレータ業界で基板として通常使用される材料、例えば非結晶化固体、例えばＳｉＯ２またはＨｆＯ２からなる非晶質材料、または結晶性化合物、例えば石英またはクリストバライトなどのＳｉＯ２からなるもの、または他の化学的要素からなるもの、例えばサファイアＡｌ２Ｏ３である。
【００２４】
上記第１の化学種（規定数以上の粒子）の粒子の導入は、有利には、上記構造を不安定化する傾向のある段階の時に生じ、表面から膜に中に入る全原子空孔流を補償するような方法により行われる。この導入は、原子空孔数が導入される粒子数よりも著しく少ないようなものであることができる。このような導入は、例えば電場または磁場により加速されたイオン源による物理的イオン注入によって実施可能である。
【００２５】
実験操作点を最適化するために、原子空孔流を膜の厚さ（または表面からの深さ）の関数として測定または評価する段階を前もって行うことが可能である。評価は、フィックの拡散式
（Ｃ表面−Ｃｚ）／（Ｃ表面−Ｃ体積）＝ｅｒｆ［０．５＊ｚ／（Ｄ体積＊ｔ）０．５］
（式中、Ｃｚは時間ｔで表面から距離ｚにおける原子空孔濃度であり、Ｃ表面（Ｃ体積）は表面（体積）原子空孔濃度であり、Ｄ体積は原子空孔の体積拡散係数であり、ならびにｅｒｆは誤差関数である）
と、表面および体積原子空孔の形成およびマイグレーションの既知のエネルギーを使用することができる。
【００２６】
表面原子空孔形成エネルギーは、一般に、体積原子空孔形成エネルギーよりも低い。シリコンの場合には、値は、体積エネルギーについては、文献「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｐｏｉｎｔ  ｄｅｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ｂｙ  ｚｉｎｃ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｕｎｄｅｒ  ｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ」，Ｈ．Ｂｒａｃｈｔ，Ｎ．Ａ．Ｓｔｏｌｗｉｊｋ，ａｎｄ  Ｈ．Ｍｅｈｒｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ５２（１９９５）１６５４２−１６５６０で、ならびに表面原子空孔の形成については「Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｅｕｔｒａｌ  ｖａｃａｎｃｉｅｓ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｓ  ｗｉｔｈ  ｔｈｅ  Ｓｉ（００１）ｓｕｒｆａｃｅ」，Ｔ．Ａ．Ｋｉｒｉｃｈｅｎｋｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ７０（２００４）０４５３２１で見出される。
【００２７】
この式から、種々の温度での原子空孔濃度の深さの関数としての原子空孔濃度の表現を確立することが可能である。しかしながら、この説明は基板と膜の間の相互作用に関連付けられる「ウエル（ｗｅｌｌ）」の力を考慮していない。この単純化された場合と関連して、膜および膜と基板の間の界面の領域は、図２に見られるように、原子空孔除去ウエルとして働く。これらの力は界面の構造および化学的品質に関連付けられる。薄膜と基板の間の界面の構造的な品質に依存して、この効果は極めて重大である可能性がある。例えば、ＳｉＯ２基板に結合したシリコン膜の場合には、ウエルの力は、熱成長または制御された堆積（例えば、モレキュラービームエピタキシー）により得られる界面のそれよりも大きい。次に、膜の表面と膜および膜基板界面の間の原子空孔流を補償するような方法で、導入されるべき規定数以上の粒子の量を実験的な決定または評価によって修正することが必要である。
【００２８】
イオン注入パラメーター、特にドーズ量およびエネルギーは、使用者の要求にしたがって、より特に対象とする膜中で補償されるべき原子空孔流にしたがって修正可能である。第１近似として加工対象の膜厚がエネルギーの選択の指針となり、次にドーズ量が規定数以上の粒子の最終濃度を調整する。厚さおよび性状が２つの付加的な調整パラメーターを構成する、イオン注入マスク（薄膜上に堆積された）を使用することにより、実験操作点の最適化を更に改善することができる。
【００２９】
本発明の意味では、イオン注入時間の実験操作点は、デウエッティングを防止して、構造の不安定化のリスクを生じる課せられた技術段階（アニーリング、特殊雰囲気、エピタキシャル再成長など）を可能とするのに充分な規定数以上の粒子を組み入れるための最適の調整である。
【００３０】
イオン注入の代替的な方法は、層中で第１の化学種（すなわち、規定数以上の粒子）の粒子を生じる方法、例えば反応の図式によってこれらの粒子を放出する表面化学反応を使用することにある。例えば、シリコンの場合には、酸化は、規定数以上の粒子として働く、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面下の格子間原子空孔を導入する。導入される量は、アニーリング時間または酸化性ガスまたは流体の性状に応じて制御可能である。この方法によりＳＯＩの操作点を決定することは、例えば、酸化時間、酸化温度および酸化雰囲気に応じて導入される格子間の量を詳細に説明する、文献「Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｎｕｍｂｅｒ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ  ａｔｏｍｓ  ｉｎｊｅｃｔｅｄ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｄｕｒｉｎｇ  ｔｈｉｎ  ｏｘｉｄｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ」，Ｄ．Ｓｋａｒｌａｔｏｓ，Ｍ．Ｏｍｒｉ，Ａ．Ｃｌａｖｅｒｉｅ，ａｎｄ  Ｄ．Ｔｓｏｕｋａｌａｓ，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４６（６）（１９９９）２２７６−２２８３、および「Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｂｕｒｉｅｄ  ｏｘｉｄｅ  ｌａｙｅｒｓ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｂｙ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｏｐ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｌａｙｅｒ」，Ｅ．Ｓｃｈｒｏｅｒ，Ｓ．Ｈｏｐｆｅ，Ｑ．Ｙ．Ｔｏｎｇ，Ｕ．Ｇｏｓｅｌｅ，ａｎｄ  Ｗ．Ｓｋｏｒｕｐａ，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４４（６）（１９９７）２２０５−２２１０）で説明されているように実施可能である。
【００３１】
規定数以上の粒子は、膜単独または膜および基板中にイオン注入することにより導入可能である。イオン注入領域を正確に定義するためには、イオン注入を必要としない領域を保護するようにマスクを使用することが可能である（例えば図４を参照のこと）。それゆえ、この方法は、イオン注入段階の前にマスクを使用して基板をマスキングする段階を含む。使用されるマスクは層段階において選択除去可能である。
【００３２】
イオン注入の場合には、既述したように、膜上に堆積されたマスクを使用することが可能である。マスクの厚さを調節することにより、規定数以上の粒子を注入する深さを変えることが可能である。シリコン膜の場合に可能な選択肢を示す：
層厚における点化（ｐｏｉｎｔｅｄ）プロフィール（すなわち、いかなるマスクも使用しないか、または薄いマスクで、低エネルギーにより）、
規定数以上の粒子およびイオン注入欠陥を空間的に脱相関する利点を有する、層厚におけるプロフィールの裾部（ｔａｉｌ）（すなわち、高エネルギーおよび厚いマスクにより）。
【００３３】
一つの実施形態にしたがって、基板と膜を好ましくは異なる種類のそれぞれのマスクで被覆することが可能である。
【００３４】
更には、本発明にしたがった方法は、充填されるべき原子空孔の量を決定して、粒子導入段階の効果を最適化する段階を含むことができる。
【００３５】
この方法は補助的なドーピング段階を更に含むことができ、次に、取り扱いを最少とするように同一のイオン注入装置により規定数以上の粒子のドーピングおよびイオン注入を行うことが特に有利である。
【００３６】
ドーピングは、電気的性質を変えるのに通常使用されるような化学種、例えば半導体の場合には周期律表の第ＩＶ族のホウ素、ヒ素、アンチモンまたはリンのような、規定数以上の粒子のそれと異なる（すなわち、薄膜の構造組成の一部を形成しない）少なくとも１つの化学種を注入することにある。これらのドーパントの存在は、表面（Ｈ２）の性質を有利に変えることができる。知られている手法を使用して、ドーパント、特に規定数以上の粒子の注入にここでも使用されるものを注入することができる。
【００３７】
方法が補助的な熱処理段階を含むように準備することもできる。アニーリングは、好ましくは、第１の化学種の粒子（規定数以上の粒子）の注入の後に行われ、イオン注入時に導入可能な欠陥を除去する。この処理は、原子空孔流が正確に決定されない場合に特に有用である。熱処理はマスキングの有無に拘わらず適用可能であり、一つの実用的な実施形態にしたがって、この熱処理は、基板上に堆積されたいかなるマスクも除去することもできる。
【００３８】
それゆえ、このような方法は、粒子の導入による安定化の段階の後で上記構造を不安定化する傾向のある段階、例えば膜上に直接にエピタキシャル再成長する段階を含むことができ、これは安定化段階による構造に対する結果を及ぼさない。
【００３９】
本発明は、規定数以上の粒子が上記の膜中に組み入れられることを特徴とする、基板上に堆積された膜中の充填されるべき原子空孔数を決定する方法にも関する。所定のイオン注入条件（エネルギー、マスクの厚さ）に対しては、膜の安定性を確保するための最少のドーズ量を決定することによって、不安定化アニーリング時に表面が発生する原子空孔濃度の決定への間接的な経路が提供される。それゆえ、この最少のドーズ量を決定することは、原子空孔数の良好な見積もりを与える。
【００４０】
本発明は、上述の方法のいずれかにより入手可能な、基板上に薄膜を含む薄膜構造物にも関する。
【００４１】
先行技術と異なり、本発明による方法は、処理される材料の固有の性質を保持する。更には、本発明は、薄層の材料およびそれらの幾何学的な特性に関連して包括的である。更には、技術工程段階が少なく、これらは薄層上のエピタキシャル再成長を含めて、半導体技術と適合している。
【００４２】
本発明の技術的利点は、本発明の非網羅的な例示を提供する、次の実施例と添付の図を読むことにより更に明白に現れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
図３に示すようなＳＯＩ構造に典型的な二酸化シリコン（ＳｉＯ２）基板上のシリコン（Ｓｉ）薄膜の場合における本発明の方法の実施形態を次に説明する。
【００４４】
第１の段階は、上記構造を不安定化する傾向のある段階の時のＳｉ／ＳｉＯ２薄膜構造物中の原子空孔流を決定することである。
【００４５】
この実施例においては、不安定化段階は、この目的が表面の構造および化学的品質を改善することである、超真空または制御された雰囲気中で行われるエピタキシャル再成長アニーリング段階である。アニーリング時間および温度（概ね６５０と９００℃の間）の関数として、導入される原子空孔濃度は、既に言及したフィック拡散式と、表面および体積原子空孔形成およびマイグレーションエネルギーから評価可能である。
【００４６】
体積原子空孔形成およびマイグレーションの測定されるエネルギーに関してＢｒａｃｈｔらにより既述されている論文、および体積および表面原子空孔形成の計算された（アブイニシオ法による）エネルギーに関してＫｉｒｉｃｈｅｎｋｏらにより既述されている論文を参照すると、種々のパラメーターの値は次の通りである。
Ｃ体積＝１．４＊１０２３ｅｘｐ（−２．０／ｋＴ）ｃｍ−３
Ｄ体積＝３＊１０−２ｅｘｐ（−１．８／ｋＴ）ｃｍ−２／秒
Ｅｆ（体積、アブイニシオ）＝３．６ｅＶ
Ｅｆ（表面、アブイニシオ）＝１．２ｅＶ（すなわち、体積値の〜６０％）。
【００４７】
原子空孔濃度の以降の評価のためには、表面原子空孔形成エネルギーＥ表面（上述のフィック式からＣ表面を計算するのに使用される）は、正確に知られていないパラメーターであると考えることができる。それゆえ、この効果はＢｒａｃｈｔらの実験値を用いて評価可能であり、ここでは他がすべて変わらないとして、体積原子空孔形成エネルギーの重み付けはアブイニシオ計算において出現するものと同一オーダーであるとする。
【００４８】
エピタキシャル再成長前の清浄化熱処理は、水素Ｈ２雰囲気中６５０℃と９００℃の間の温度で数分かかる（通常、０から３０分、継続時間は温度に応じて減少する）。
【００４９】
図８は、アニーリング（構造を不安定化する傾向のある）２分後の原子空孔濃度を３つの特性的な温度に対する層厚に応じて示す。１００ｎｍ未満の厚さの薄層に対しては、体積平衡濃度に決して到達しないということを注目されたい。実際に、層はすべて表面から入る原子空孔流により過飽和している。これは規定数以上の粒子を導入することにより補償されるべき流れである。
【００５０】
この目的には、使用され得る任意の薄化段階（ＨＦベースの熱酸化および選択的脱酸化）の補償に意図されている量を含めて必要量の規定数以上の粒子を導入するのに、シリコン（Ｓｉ）がＳｉ／ＳｉＯ２薄膜構造物中に注入される。
【００５１】
一般に、マスクとしての働きをする酸化物層の厚さを調整することにより、このタイプのイオン注入を２つの方法によって薄層中で使用することができる。
【００５２】
イオン注入直後に欠陥の存在を制限して、原子空孔数が導入される粒子数よりも著しく少ない、イオン注入の「裾部」の規定数以上の粒子を使用する（図６を参照）。
【００５３】
または、それにも拘わらず低エネルギーで操作することにより制限可能な多数の欠陥（疑いもなく、アニーリング時に格子間のループの形成を伴う）が生じる、イオン注入最大の規定数以上の粒子を使用する（図７）。
【００５４】
イオン注入欠陥（原子空孔、格子間欠陥）と組み入れられた規定数以上の粒子（すなわち、この場合には注入されたイオン）の間の存在数のデカップリングにより、第１の解決策のメリットを得ることができる。カプセル化層の厚さおよび性状に加えて、次のことを調整することができる：
初期の厚さに応じてプロフィールの深さを調整するイオン注入エネルギー、
規定数以上の粒子の濃度を調整するドーズ量。
【００５５】
これらの２つのパラメーターは関連付けされず、第１のパラメーターはプロフィール（例えば、層中のピークのある分布またはピークのない分布）の一般的な形状を選択するのに使用され、第２のパラメーターはプロフィールを変えることなく量を調整するのに使用される。
【００５６】
シリコン（１００）中のＳｉに対するイオン注入プロフィールの上記の２つの実施例は、次の数値を使用する：
図６：１０ｎｍの窒化ケイ素により被覆されたシリコン基板中に３ｋｅＶでの１＊１０１５Ｓｉイオン／ｃｍ２、
図７：酸化されたシリコン基板（０．５ｎｍのＳｉＯ２）中に１ｋｅＶでの２＊１０１３Ｓｉイオン／ｃｍ２。
【００５７】
最適の操作点を実験的に見出すために、目標が９００℃で２分のエピタキシャル再成長アニーリング時に７ｎｍのＳＯＩを安定化することである場合には、例えば、使用するプロトコルは以下に示す通りである。
７ｎｍのＳＯＩ試料を１７ｎｍの厚さのＳｉＯ２マスクで被覆する。
シリコンイオンを３ｋｅＶで１＊１０１２から５＊１０１４イオン／ｃｍ２で変化させたドーズ量によりこれらの試料のいくつかに注入し、１つの試料を参照用としてとっておく。
９００℃でのデウエッティングの割合をすべての試料に対して測定する。
ＳＯＩを２分間非ウエットに保つための最適ドーズ量は、この材料とこの不安定化処理に対応する実験操作点（このエネルギー、この厚さおよびこの種のマスクによる）を定義する。
【００５８】
同一のタイプのプロトコルをゲルマニウムまたはＳｉＯ２上のＳｉＧｅの層と、ならびに例えば分子結合により得られるシリコン、ゲルマニウムまたはこれらの合金の歪んだ薄層に直接に適用することができる。
【００５９】
操作点の最適化は、層の作製時の規定数以上の粒子の組み入れを生じるいかなる段階も考慮に入れなければならない。例えば、論文「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  ｒｅｌａｘｅｄ  ＳｉＧｅ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｂｙ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｇｅ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ」，Ｚｅｎｇｆｅｎｇ  Ｄｉ，Ｍｉａｏ  Ｚｈａｎｇ，Ｗｅｉｌｉ  Ｌｉｕ，Ｓｕｈｕａ  Ｌｕｏ，Ｚｈｉｔａｎｇ  Ｓｏｎｇ，Ｃｈｅｎｇｌｕ  Ｌｉｎ，Ａｎｐｉｎｇ  Ｈｕａｎｇ，ａｎｄ  Ｐａｕｌ  Ｋ．Ｃｈｕ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ  ２３，１６３７（２００５）で説明されている酸化局在化法を使用するならば、これは、ＳｉＧｅＯＩ（ＳｉＧｅオンインシュレータ）にも適用可能である。
【００６０】
別法としては、恐らくは犠牲層の消費を含む、酸化などの化学反応によって構造化学種（規定数以上の粒子）の粒子を導入することができる。この効果をイオン注入に重畳する（すなわち、相補的である）ことができる。次いで適切な濃度の規定数以上の粒子により必要とされる厚さの層を得るには、操作時間および条件（特に、温度）を最適化することが必要である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】表面不安定性を表す。
【図２】異なる厚さの層についての層と基板の間の原子空孔流を表す。
【図３】基板上の薄膜を表す。
【図４】マスキングされた基板を用いるイオン注入段階を表す。
【図５】薄膜上のマスクの厚さに応じてイオン注入深さを調節する図である。
【図６】１０ｎｍの窒化ケイ素で被覆したシリコン層中に深さＰ（ｎｍ）に応じて、３ｋｅＶで１ｃｍ２当り１０１５個のシリコンイオンをイオン注入した後における、シリコン含有の規定数以上の粒子（左側）および照射（格子間の＋原子空孔）欠陥Ｄ（右側）のプロフィールを表す。
【図７】０．５ｎｍの酸化シリコン層中に深さＰ（ｎｍ）に応じて、１ｋｅＶで１ｃｍ２当り２＊１０１３個のシリコンイオンをイオン注入した後における、シリコン含有の規定数以上の粒子（左側）および照射（格子間の＋原子空孔）欠陥Ｄ（右側）のプロフィールを表す。
【図８】体積エネルギーＥ体積と比較しての表面原子空孔形成エネルギーＥ表面の２つの重み付けに対しての、それぞれ６５０、７７５および９００℃で２分のアニーリング後における、層厚Ｐ（ｎｍ）に応じての原子空孔濃度Ｃ（ａｔ−１）を表す。
【図９】基板を保護するためのマスクの使用（図４におけるように）が膜中のイオン注入の深さを調節するためのマスクの使用（図５におけるように）と組み合わせられる例を表す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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