(57)【要約】      （修正有）【課題】ナノ結晶性（ｎｃ）シリコン粒子を用いた、希土類（ＲＥ）元素をドープしたＳＲＳＯ膜を製造する方法を提供する。【解決手段】第１ターゲットである、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジミウム（Ｐｒ）またはテルビウム（Ｔｒ）などの第１のＲＥ元素を埋め込んだＳｉの供給工程７０２；第２ターゲットであるＳｉの供給工程７０４；第１および第２ターゲットの同時スパッタリング工程７０８；第１のＲＥ元素をドープした、基板へのＳｉを豊富に含んだＳｉ酸化（ＳＲＳＯ）膜の形成工程７１０；ならびに第１のＲＥ元素をドープしたＳＲＳＯ膜のアニーリング工程７１２とを含む。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ結晶性（ｎｃ）シリコン（Ｓｉ）粒子を用いた、希土類（ＲＥ）元素をドープしたＳｉ酸化膜の製造方法であって、
第１ターゲットである、第１のＲＥ元素を埋め込んだＳｉを供給する工程；
第２ターゲットであるＳｉを供給する工程；
基板を供給する工程；
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする工程；
該基板上へ第１のＲＥ元素をドープした、Ｓｉを豊富に含むＳｉ酸化（ＳＲＳＯ）膜を形成する工程；ならびに
第１のＲＥ元素をドープした該ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程
を包含する方法。
【請求項２】
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする上記工程が約７５〜３００ワット（Ｗ）の範囲のスパッタリングパワーにて行われることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする上記工程が約９３３．１〜１０６６．４ミリパスカル（ｍＰａ）の環境圧力を用いて行われることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする上記工程が、約２２５℃まで上記基板を加熱することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする上記工程が、約１５％の酸素を含むＡｒ雰囲気を用いて行われることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
アニーリングする上記工程が、１０〜３０分間、約９００〜１１００℃でアニーリングすることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
アニーリングする上記工程が、Ｎ２、不活性ガス、酸素またはこれらの組み合わせの雰囲気においてアニーリングすることを含む請求項１に記載の方法
【請求項８】
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする上記工程がスパッタリングパワーを低下させることを含み、かつ上記アニーリングする工程が、低下させた該スパッタリングパワーに応じて、アニーリング温度を低下させることおよびアニーリング時間を延長させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする上記工程が、スパッタリングパワーを増加させることを含み、かつ上記アニーリングする工程が、増加させた該スパッタリングパワーに応じて、アニーリング温度を上昇させることおよびアニーリング時間を短縮させることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第１ターゲットである、第１のＲＥ元素を埋め込んだＳｉを供給する上記工程が、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジミウム（Ｐｒ）およびテルビウム（Ｔｂ）の群から選択されたＲＥ元素をドープしたターゲットを供給することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする上記工程が、第１ターゲットを第１のスパッタリングパワーを用いてスパッタリングすること、および第２ターゲットを第１のスパッタリングパワーとは異なる第２のスパッタリングパワーを用いてスパッタリングすることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第１ターゲットである、第１のＲＥ元素を埋め込んだＳｉを供給する上記工程および第２ターゲットであるＳｉを供給する上記工程が、第１効果領域のために第１ターゲットを供給すること、および第１効果領域とは異なる第２効果領域のために第２ターゲットを供給することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
基板を供給する上記工程が、ドーパントを添加したＳｉ、または１〜１０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の厚さを有するシリコン酸化物の層を覆う、ドーパントを添加したＳｉから構成された基板を供給することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
上記ＳＲＳＯ膜を形成する工程が、一回の同時スパッタリングプロセスにおいて均一にドーパントが添加されたＳＲＳＯ膜を形成することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
上記ＳＲＳＯを形成する工程が、以下に示すＲＥドーピングの特性を有する構造：
ドープされた第１のＲＥが第１の濃度を有するＳＲＳＯ膜の第１層；および
第１ドーピング濃度とは異なる第１のＲＥの第２ドーピング濃度を有し、かつ第１層を覆うＳＲＳＯの第２層
を備えたＳＲＳＯ薄膜を形成することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
第３ターゲットである、第２のＲＥ元素を埋め込んだＳｉを供給する工程をさらに包含し、
同時スパッタリングする上記工程が、第１ターゲット、第２ターゲットおよび第３ターゲットを同時スパッタリングすることを含み、
ＳＲＳＯ膜を形成する上記工程が、第１のＲＥ元素および第２のＲＥ元素をドープしたＳＲＳＯ膜を形成することを含む
請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
上記ＳＲＳＯを形成する工程が、以下に示すＲＥをドープした特性を有する構造：
第１のＲＥ元素をドープしたＳＲＳＯ膜の第１層；および
第２のＲＥ元素をドープした、第１層を覆うＳＲＳＯ膜の第２層
を備えたＳＲＳＯ膜を形成することを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
底部基板；
第１の濃度を有するＲＥ元素をドープした、外底部基板を覆う第１層、および第２の濃度を有するＲＥ元素をドープした、第１層を覆う第２層から構成されている、シリコン（Ｓｉ）を豊富に含むシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜；ならびに
該ＳＲＳＯ膜を覆う上部電極
を備えているエレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子。
【請求項１９】
底部基板；
第１のＲＥ元素をドープした、外底部基板を覆う第１層、および第２のＲＥ元素をドープした、第１層を覆う第２層から構成されているシリコンを豊富に含むシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜；ならびに
該ＳＲＳＯ膜を覆う上部電極
を備えているエレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子。
【請求項２０】
第１の濃度を有するＲＥ元素をドープした第１層；および
第２の濃度を有する該ＲＥ元素をドープした、第１層を覆う第２層
を備えているシリコンを豊富に含むシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜。
【請求項２１】
第１のＲＥ元素をドープした第１層；および
第２のＲＥ元素をドープした、第１層を覆う第２層
を備えているシリコンを豊富に含むシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には、集積回路（ＩＣ）の製造に関する。より詳細には、電界発光素子（ＥＬ）に適用するためのシリコン（Ｓｉ）を豊富に含むシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜であって、ナノ結晶性（ｎｃ）シリコン粒子を用いた、希土類（ＲＥ）元素をドープしたＳＲＳＯ膜を製造するためのスパッタ堆積の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
〔関連発明〕
本出願は、ティンカイ（Ｔｉｎｇｋａｉ）らによる発明（発明の名称：高発光シリコン電界発光素子）の係属中の米国特許出願（出願日：２００５年２月２４日、出願番号：１１／０６６，７１３）の一部継続出願である。本出願は、参照を介して上記特許出願を包含しているものである。
【０００３】
本出願は、ティンカイ（Ｔｉｎｇｋａｉ）らによる発明（発明の名称：広波長範囲のシリコン電界発光素子）の係属中の米国特許出願（出願日：２００５年２月１４日、出願番号：１１／０５８，５０５）の一部継続出願である。本出願は、参照を介して上記特許出願を包含しているものである。
【０００４】
〔関連技術〕
室温において多孔性シリコン（Ｓｉ）から放射される可視発光が観察されたことによって、Ｓｉを基にした光源を開発するためにナノサイズのＳｉを用いることに関する膨大な量の研究が促進されている。ナノクラスターＳｉ（ｎｃ−Ｓｉ）の製造方法を広く用いた多孔性Ｓｉは、化学蒸着（ＣＶＤ）、高周波（ＲＦ）スパッタリングおよびＳｉ注入を用いて膜を製造して、ＳｉＯＸ（ｘ＜２）によってｎｃ−Ｓｉを凝結させたものである。多孔性Ｓｉを含む上記膜は、シリコンを豊富に含んだシリコン酸化物（ＳＲＳＯ；ｓｉｌｉｃｏｎ  ｒｉｃｈ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｘｉｄｅ）と呼ばれる。また、エルビウム（Ｅｒ）をドープしたナノ結晶性Ｓｉを形成するためのＥｒ注入が、Ｓｉを基にした光源の作製に用いられている。しかし、従来の注入プロセスは高効率な発光に重要であり得るが、ドーパントを均一に分散させることができない。また、イオン注入はコストが高い。インターフェイス技術は素子の性能に重要であり得るが、イオン埋め込みを用いて達成することが非常に困難である。これら全ての欠点が、さらなる素子の応用に制限を与えている。
【０００５】
他の研究（カスターニャ（Ｃａｓｔａｇｎａ）らによる、「シリコンにおける高効率な発光素子」）には、薄い酸化物層におけるｎｃ−Ｓｉ粒子およびＥｒ注入を用いたＭＯＳ構造からなるシリコンを基にした光源について述べられている。窒素の流入条件において８００℃で３０分間アニーリングを行うと、上記素子は、ＩＩＩ−Ｖ半導体を用いた発光ダイオードと比較して、室温において１０％の外部量子効果を示す。しかし、上記素子は安定性に乏しい。その他の素子構造として、イオン注入を用いてＲＥ元素（Ｅｒ、Ｔｂ、Ｙｂ、ＰｒまたはＣｅ）をドープした、７５ナノメートル（ｎｍ）（７５０オングストローム）の厚さを有するシリコンを豊富に含む酸化物から構成されるゲート絶縁層からなることが挙げられる。上記条件においてアニーリングを行うと、上記構造を有する素子は遥かに安定した性質を示すが、上記外部量子効果が０．２％まで降下する。
【０００６】
ドープをしていないシリコンナノ粒子は、光の放射領域について該粒子のサイズに依存した広い波長分布を有している。一方、ＲＥをドープしたＳＲＳＯは、ＲＥ元素の内部の４ｆ遷移と一致する不連続な波長において光を放射する。例えば、テルビウム、イッテルビウムまたはエルビウムをドープしたＳＲＳＯに対する主な放射波長は、それぞれ５５０ｎｍ、９８３ｎｍまたは１５４０ｎｍの波長に位置している。ドープしたシリコンナノ粒子からのＲＥが関与する発光の単色性は、波長に関して非常に好ましい制御を提供する。上記単色性は、光学通信においてより広い応用を与える。
【特許文献１】米国出願公開公報ＵＳ２００６／１８０８１６号（２００６年８月１７日公開）
【特許文献２】米国出願公開公報ＵＳ２００６／１８９０１４号（２００６年８月２４日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ドープしたシリコンを豊富に含む酸化膜を製造するために、これまでに希土類イオン注入が検討されてきた。イオン注入は純度および応用性を与えるが、イオン注入は費用がかかり、かつ注入することができるイオンの量が限られている。いかなる深さ方向に対してもドーパントの濃度を制御することが困難であり、ドーパントの濃度は不均一である。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高い安定性および発光効率を有する電界発光素子を形成するためのシリコン酸化膜およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、スパッタリングプロセスによってＲＥ元素をドープしたＳＲＳＯを堆積させる方法を提供する。言い換えると、ドープしたＳＲＳＯ膜は、電界発光に適用されるシリコン酸化物マトリクスに埋め込まれた、能動的にドープしたシリコンナノ粒子を含む膜の中にアニールされ得る。例えば、テルビウム（Ｔｂ）をドープしたＳＲＳＯは、ＲＥを埋め込んで特別に設計したＳｉターゲットを用いて、エドワーズ３６０反応性ＤＣスッパタリングシステム（Ｅｄｗａｒｄｓ  ３６０  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ＤＣ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）において堆積させた。上記アニールされた膜は、非常に強い、Ｔｂが関与する光ルミネセンスシグナルを示し、ＥＬ素子への適用に有用である。
【００１０】
従って、ナノ結晶性（ｎｃ）Ｓｉ粒子を備えた、ＲＥ元素をドープしたシリコン（Ｓｉ）酸化膜を形成するための方法を提供する。上記方法は、以下の工程：第１ターゲットである、第１のＲＥ元素を埋め込んだＳｉを供給する工程；第２ターゲットであるＳｉを供給する工程；第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする工程；該基板上へ第１のＲＥ元素をドープした、Ｓｉを豊富に含むＳｉ酸化（ＳＲＳＯ）膜を形成する工程；ならびに第１のＲＥ元素をドープした該ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程を包含する。第１ターゲットは、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジミウム（Ｐｒ）およびテルビウム（Ｔｂ）のような希土類元素を用いてドープされている。
【００１１】
スパッタリングパワーは、約７５〜３００ワット（Ｗ）の範囲である。第１ターゲットおよび第２ターゲットに対してそれぞれ異なるスパッタリングパワーが印加されても構わない。第１ターゲットおよび第２ターゲットによって与えられる効果領域を変えることによって堆積を制御し得る。例えば、第１ターゲットおよび第２ターゲットのいずれかは、部分的に覆われていてもよい。上記制御が、イオン注入を用いた場合には得られないドーピング特性を生じる。例えば、均一にドーパントが添加されたＳＲＳＯ膜を、一度の同時スパッタリングプロセスにおいて形成することができる。その他の例として、ＳＲＳＯ膜の第１層は、ドープされた第１のＲＥが第１の濃度を有するように形成されてもよく、ＳＲＳＯ膜の第２層は、第１層を覆う、ドープされた第２のＲＥが第１の濃度とは異なる濃度を有するように形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明は、ナノ結晶性Ｓｉ粒子を用いた、ＲＥ元素をドープしたシリコン酸化膜の製造方法であって、該方法は以下の工程：第１ターゲットである、第１のＲＥ元素を埋め込んだＳｉを供給する工程；第２ターゲットであるＳｉを供給する工程；基板を供給する工程；第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする工程；該基板上へ第１のＲＥ元素をドープした、Ｓｉを豊富に含むＳｉ酸化（ＳＲＳＯ）膜を形成する工程；ならびに第１のＲＥ元素をドープした該ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程を包含する。よって、スパッタ堆積を用いて、ＲＥ元素が均一にドープされたＳＲＳＯ膜を形成することができる。すなわち、高い安定性および発光効率を有する電界発光素子を形成するためのシリコン酸化膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上述した方法および該方法を用いて製造したＥＬ素子のさらなる詳細について、以下に示している。
【００１４】
〔本発明の詳細な説明〕
図１は、シリコンを豊富に含んだシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜１００の部分断面図である。ＳＲＳＯ膜１００は、第１の濃度のＲＥ元素を用いてドープした第１層１０２である。第２層１０４は、第１層１０２を覆い、かつ第２の濃度のＲＥ元素を用いてドープされている。ＲＥドーパント濃度について、第１の濃度は第２の濃度よりも高い、または第２の濃度は第１の濃度よりも高い。図１の膜は、ＲＥをドープしたＳＲＳＯ膜１００を堆積させるための２つのターゲットによるスパッタリングプロセスを用いて形成することができる通常のＲＥドーピングの特性の１つを示すことを意図している。同じような基本的な方法を用いることによって、より複雑な他の特性を付与することができる。
【００１５】
以下に示す全てのＳＲＳＯ膜において、ＳＲＳＯ膜１００は、主としてシリコン２酸化物であり、付加的なＳｉを有している。アニーリングを行うことによって、Ｓｉ原子は、シリコン酸化マトリクスに埋め込まれたＳｉナノ粒子を形成するために凝集する。シリコンの含有率は、膜が有する屈折率ｎによって表される。純粋なＳｉＯ２は、ｎ＝１．４６である。ＳＲＳＯ膜１００は、ｎ＝１．５〜２．２である。さらに、ＳＲＳＯ膜１００は、２〜１０％の濃度のＲＥがドープされている。
【００１６】
図２は、図１のＳＲＳＯ膜１００の変形例であるＳＲＳＯ膜２００の部分断面図である。ＳＲＳＯ膜２００は、第１のＲＥを用いてドープした第１層２０２を備えている。第２層２０４は、第１層２０２を覆い、かつ第２のＲＥを用いてドープされている。図２の膜は、ＲＥをドープしたＳＲＳＯ膜２００を堆積させるための３つのターゲットによるスパッタリングプロセスを用いて形成することができる通常のＲＥドーピングの特性の１つを示すことを意図している。より複雑な特性を有する膜を形成するために３つ以上のターゲットを用いてもよい。
【００１７】
図３は、電界発光（ＥＬ）素子３００の部分断面図である。ＥＬ素子３００は底部基板３０２を備えている。シリコンを豊富に含むシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜３０４は、底部基板３０２を覆う、第１の濃度のＲＥ元素を用いてドープされた第１層３０６を備えている。ＳＲＳＯ膜３０４の第２層３０６は、第１層３０４を覆い、かつ第２の濃度のＲＥ元素を用いてドープされている。ＲＥドーパントの濃度について、第１の濃度は第２の濃度よりも高い、または第２の濃度は第１の濃度よりも高い。上部電極３１０はＳＲＳＯ膜３０４を覆っている。
【００１８】
底部基板３０２はｎ型またはｐ型のＳｉ基板であり得る。また、底部基板３０２または上部電極３１０は、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｈｉｎ  ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ：Ａｌ、またはＡｌのような透明な材料から構成されていてもよい。底部基板３０２および上部電極３１０用の材料として用い得る他の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、クロム（Ｃｒ）、Ｐｔ、Ｉｒ、ＡｌＣｕ、Ａｇ、ＹＢＣＯ（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ）、ＲｕＯ２およびＬａ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３などを挙げることができる。図３の素子は、ＲＥをドープしたＳＲＳＯ膜３０４を堆積させるための２つのターゲットによるスパッタリングプロセスを用いて形成することができる通常のＥＬ素子の１つを示すことを意図している。
【００１９】
Ｅｒドーピングを用いて光を発生させるためには、ＩＲ（ｉｎｆｒａｒｅｄ）波長における光が、底部基板（シリコン基板）３０２を通して検出されればよい。この場合、上部電極３１０は、光を透過しなくてもよい。Ｔｂの放出を介して光を放出するためには、該光の波長は、可視光の範囲に含まれる、約５５０ｎｍである。この場合における上部電極３１０は、Ｓｉ基板３０２を通して検出することができない光であり、可視光の範囲に含まれる光として検出される５５０ｎｍの波長を有する上記光を透過させ得る必要がある。
【００２０】
図４は、図３のＥＬ素子の変形例であるＥＬ素子４００の部分断面図である。ＥＬ素子４００は、底部基板４０２およびＳＲＳＯ膜４０４を備えている。ＳＲＳＯ膜４０４の第１層４０６は、底部基板４０２を覆い、かつ第１のＲＥ元素を用いてドープされている。ＳＲＳＯ膜４０４の第２層４０８は、第１層４０４を覆い、かつ第２のＲＥ元素を用いてドープされている。例えば、第１のＲＥ元素はＥｒであってもよく、第２のＲＥ元素はＴｂであってもよい。上部電極４１０はＳＲＳＯ膜４０４を覆っている。
【００２１】
〔本発明の機能的な説明〕
ＲＥを埋め込んで特に設計されたターゲットと共に、その他のターゲットである、純粋なシリコンターゲットを用いることによって、ＲＥをドープしたＳＲＳＯ膜３０４は、ドーパントの濃度を変えたＳＲＳＯ膜３０４を形成するために、異なる濃度特性を有するように堆積され得る。例として、Ｔｂをドープした、シリコンナノ粒子を含むＳＲＳＯ薄膜３０４の製造について以下に説明する。堆積およびアニーリング条件は、表１に記載の通りである。スパッタリングパワーは、シリコンの含有量を変えるために変化させてもよいが、一方でＴｂとＳｉの比率は維持されている。また、これらの実施例について、さまざまなアニーリング条件（堆積させたままの状態から１０００℃まで）を用いたＰＬの測定を行い、その結果についても示している。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
図５は、具体例としてのＥＬ素子３００についてＥＬ測定を行った結果を示すグラフである。測定に用いたＥＬ素子３００は、２．８ｎｍの厚さを有するシリコン二酸化膜によって覆われたＳｉ基板３０２を備えている。ＴｂをドープしたＳＲＳＯ膜３０４は、上記シリコン２酸化物の膜上を覆っており、ＩＴＯから構成された上部電極３１０は該ＳＲＳＯ膜３０４を覆っている。ＳＲＳＯ膜３０４は、３００Ｗのパワーレベルでスパッタリングされ、９５０℃で４分間、酸素雰囲気下でアニーリングされる。５５０ｎｍにおいて確認された発光は、Ｔｂが膜の中に取り込まれていること証明している。シリコンナノ粒子からのＥＬ放出とは全く異なる、ＲＥに関連したＥＬ放出は、ＲＥ元素において内部４ｆ遷移と一致する不連続な波長を有している。図５のグラフは、堆積後にアニーリングを行っても放出波長が変化しないことを示しており、またこのＥＬ放出にＲＥが関わっていることを証明している。ＲＥをドープしていない従来のシリコンナノ粒子膜は、通常、変化したアニーリング条件に伴って放出波長の変化が見られる。
【００２４】
図６は、ＰＬ、スパッタリングパワーおよびアニーリング条件の間の関係をプロットしたグラフである。ピークにあたるＰＬ強度（５４４ｎｍ）は、アニーリング条件およびスパッタリングパワーによって変化する。アニーリング温度が増加すると、最大ＰＬ強度の変化は、スパッタリングパワーの増加と相関する。上記最大ＰＬが生じるのは、１０００℃で１０分間、Ｎ２ガスを流入させた状態で、ＭＲＬ（登録商標）装置を用いてアニーリングを行ったときである。なお、このときのスパッタリングパワーは、１２５Ｗである。スパッタリングパワーが７５Ｗである場合、ＳＲＳＯ膜の組成は、基本的にはＳｉＯ２から構成され、付加的なシリコンを含んでいない。スパッタリングパワーが７５Ｗである場合、ＰＬ強度は、アニーリング温度の上昇に伴って低下する。これらの関係は、本発明に係るＲＥをドープしたスパッタリング手法の汎用性を示しており、新しいシリコンナノ粒子を基にしたＥＬ素子の応用を指し示すものである。
【００２５】
実例例の１つの局面において、異なるドーピング濃度を有するＲＥをドープしたＳＲＳＯ膜３０４は、２つのターゲットに対して異なるスパッタリングパワーを用いること、および／または２つのターゲットのいずれかを部分的に覆うことによって堆積させてもよい。その他の局面において、ドーピング濃度は、堆積処理中にスパッタリングパワーを変えること、またはターゲットのいずれか１つにおける露出した領域を変えることによって、ＳＲＳＯ膜３０４の厚さ方向に変化させてもよい。以上のように、ドーパント特性技術および／またはインターフェイス技術を達成するために、ドーピング濃度を操作することができる。
【００２６】
図８は、ＳｉターゲットおよびＲＥをドープしたＳｉターゲットを用いたＤＣスパッタリングシステムの構成を示す模式的なブロック図である。イオンは、スパッタリング装置が備えるプラズマによって供給される。所望のスパッタリング条件を整えるために、プラズマの性質、特にイオンの密度を調整するためのさまざまな技術が用いられる。ターゲットには直流（ＤＣ）電圧を用いてバイアスがかけられる（ＤＣスパッタリング）。また、ターゲットにバイアスをかけるために、高周波（ＲＦ）電流を変化させることを採用してもよい。マグネトロンスパッタリングは、イオンの流れを制御および制限するために磁場が用いられている。ＤＣスパッタリング装置は、その使用が最も簡便かつ安価である。本発明のスパッタリングプロセスは、従来公知のさまざまなスパッタリングプロセスを用いて行うことができる。
【００２７】
スパッタリングされた原子は気相としてターゲットから放出されるが、気相として放出された原子は、基板と衝突することによって固相に戻る。その結果、スパッタリングされた材料からなる薄膜の堆積が起こる。
【００２８】
図７は、ナノ結晶性Ｓｉを含む、ＲＥ元素をドープしたＳｉ酸化膜３０４の形成方法を説明するフローチャートである。上記方法は、明確化を目的として、図７において一連の番号付けされたステップとして説明されているが、明確な記載がない限り、ステップの順序は付与した番号によって決定されるものではない。これらのステップの一部が、飛ばされること、平行して行われること、またはその順序を厳密に維持して行う必要がないことは理解されるであろう。上記方法はステップ７００から開始する（該方法を用いて形成される構造については、図３を参照のこと）。
【００２９】
ステップ７０２において、第１ターゲットである、第１の希土類元素を埋め込んだＳｉを供給する。いくつかの希土類元素の具体例として、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジミウム（Ｐｒ）およびテルビウム（Ｔｂ）を挙げることができる。しかし、本発明の方法は、これらの具体例にのみ限定されるものではない。ステップ７０４において、第２ターゲットであるＳｉを供給する。ステップ７０６において、基板３０２を供給する。例えば、基板３０２として、ドープされたＳｉ、または１〜１０ｎｍの厚さを有するシリコン酸化物の層に覆われているドープされたＳｉを挙げることができる。ステップ７０８において、第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングする。ステップ７１０において、基板３０２上に第１の希土類元素を用いてドープしたＳＲＳＯ膜３０４を形成する。ステップ７１２において、希土類元素をドープした上記ＳＲＳＯ膜３０４をアニーリングする。
【００３０】
１つの局面において、ステップ７０８における第１ターゲットおよび第２ターゲットの同時スパッタリングは、７５〜３００Ｗのスパッタリングパワーを用いて行われる。その他の局面において、ステップ７０８における同時スパッタリングは、約９３３．１〜１０６６．４ミリパスカル（ｍＰａ）（７〜８ミリトル（ｍＴｏｒｒ））環境圧力を用いて行われる。通常、上記基板は約２２５℃まで加熱され、第１ターゲットおよび第２ターゲットは、約１５％の酸素を含むＡｒ雰囲気を用いて同時スパッタリングされる。
【００３１】
１つの局面において、第１ターゲットおよび第２ターゲットに対して等しいスパッタリングパワーが印加される。他の局面において、第１ターゲットが第１スパッタリングパワーを、第２ターゲットが第１スパッタリングパワーとは異なる第２第２スパッタリングパワーを用いてスパッタリングされる。ステップ７０２において第１効果領域を形成するために第１ターゲットを供給すること、およびステップ７０４において第１効果領域とは異なる第２効果領域を形成するために第２ターゲットを供給することによって、同様の効果を達成することができる。例えば、２つのターゲットの内、１つのターゲットがより小さい表面領域を有するように形成されていても、または部分的に覆われていてもよい。
【００３２】
ステップ７１０において、上述した技術の内の１つを用いて、第１のＲＥが第１の濃度でドープされた、ＳＲＳＯ膜３０４の第１層３０６を備えるというＲＥドーピング特性を有するようなＳＲＳＯ膜を形成してもよい。ＳＲＳＯ膜３０４の第２層３０８は、第１層３０６を覆い、かつ第１の濃度とは異なる第２の濃度で第１のＲＥがドープされている。
【００３３】
異なる局面において、ステップ７１２におけるアニーリングは約９００〜１１００℃の範囲で、約１０〜３０分間行われる。上記アニーリングを行う雰囲気が、Ｎ２、不活性ガス、水蒸気、酸素またはこれらの要素の組み合わせを含んでいてもよい。上記雰囲気の選択は、普通、所望する酸化の度合いに依存する。
【００３４】
図６の説明において説明したように、１つの局面において、ステップ７０８における同時スパッタリングは、スパッタリングパワーを低下させて行う。そして、ステップ７１２におけるアニーリングは、低下させたスパッタリングパワーに応じて、温度を低下および時間を延長して行われる。これとは逆に、ステップ７０８における同時スパッタリングを、スパッタリングパワーを増加させて行った場合、通常、上昇させたスパッタリングパワーに応じて、ステップ７１２におけるアニーリングは、温度を上昇および時間を短縮して行う。
【００３５】
１つの局面において、ステップ７１０におけるＳＲＳＯ膜３０４は、１度の同時スパッタリング工程（ステップ７０８）の結果として、均一にドープされたＳＲＳＯ膜３０４として形成される。均一にドープされたＳＲＳＯ膜３０４の形成は、イオン注入技術を用いて達成することができない。
【００３６】
本発明に係る方法の１つの変形例として、付加的な工程であるステップ７０５において、第３ターゲットである、第２の希土類元素を埋め込んだＳｉを供給する（該変形例を用いて形成される構造については、図４を参照のこと）。それから、ステップ７０８において、第１ターゲット、第２ターゲットおよび第３ターゲットを同時スパッタリングする。そして、ステップ７１０において、第１の希土類および第２の希土類を用いてドープしたＳＲＳＯ膜４０４を形成する。例えば、ステップ７１０において、第１のＲＥをドープした、ＳＲＳＯ膜４０４の第１層４０６、および第２のＲＥをドープし、かつ第１層４０６を覆う、ＳＲＳＯ膜４０４の第２層４０８を備えるようなＲＥドーピング特性を有するＳＲＳＯ膜４０４を形成してもよい。なお、ステップ７０において、３つのターゲットに対して同時にパワーを印加する必要はない。例えば、上述のようなドーピング特性は、最初に第１ターゲットおよび第２ターゲットを同時スパッタリングした後、第２ターゲットおよび第３ターゲットを同時スパッタリングすることによって達成することができる。スパッタ堆積法は、ナノ結晶性Ｓｉを備えた、希土類元素をドープしたＳＲＳＯ膜４０４の製造のために提供される。
【００３７】
上記方法および変形例を説明するために、いくつかの工程の具体例が与えられている。しかし、本発明は、これらの具体例にのみ限定されない。本発明の他の変形例および形態は、当業者であれば容易に想到し得る。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、Ｓｉを基にして、高い安定性を有し、かつ高効率な発光を可能にする発光素子を実現することができる。このため、従来の半導体装置のほとんどに適用できる。特に、上記発光素子は、装置内および装置間における光学通信用の発光素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るシリコンを豊富に含んだシリコン酸化（ＳＲＳＯ）膜の部分断面図である。
【図２】図１のＳＲＳＯ膜の変形例を示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る電界発光（ＥＬ）素子の部分断面図である。
【図４】図３のＥＬ素子の変形例を示す部分断面図である。
【図５】通常のＥＬ素子のＥＬを表すグラフである。
【図６】ＰＬ、スパッタリングパワーおよびアニーリング条件の間の関係をプロットしたグラフである。
【図７】ｎｃ結晶性Ｓｉ粒子を備える、ＲＥ元素をドープしたＳｉ酸化膜の形成方法を説明するフローチャートである。
【図８】ＳｉターゲットおよびＲＥをドープしたＳｉターゲットを用いたＤＣスパッタリングシステムの構成を示す模式的なブロック図である。
【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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