イオン注入法とは何か？なぜ選択性に優れるのか？

この記事で分かること

イオン注入法

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回は、ドーピング工程の一つであるイオン注入法についての記事となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と 研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

イオン注入法とは何か

　イオン注入法は、半導体製造の前工程において、半導体の電気的特性を意図的に変化させる「ドーピング」の主要な手法の一つです。

　その原理は、ドーパント（不純物）となる元素をイオン化し、高電圧で加速して半導体ウェハーに直接打ち込むというものです。これにより、ウェハーの表面から内部の特定の深さに、ドーパント原子を精密に導入することができます。

イオン注入法の主な特徴とメリット

• 精密な制御性:
  • 注入深さの制御: イオンの加速エネルギーを調整することで、ドーパントがウェハーに打ち込まれる深さをナノメートル（nm）オーダーで非常に正確に制御できます。これにより、極めて薄い接合や埋め込み層を形成することが可能です。
  • ドーパント濃度の制御: 注入するイオンの量（ドーズ量）を正確に測定・制御できるため、ドーパント濃度を非常に精密に調整できます。
  • 選択的ドーピング: フォトリソグラフィ技術で形成されたマスク（フォトレジストなど）を利用することで、ウェハー上の特定の微細な領域にのみドーピングを行うことができます。ドーパントの横方向拡散が少ないため、微細なデバイス構造の形成に適しています。
• 低温プロセス: 熱拡散法に比べて低温でプロセスを行うため、ウェハーへの熱ダメージを最小限に抑えられます。これは、すでに形成されたデリケートな構造を保護する上で重要です。
• 高純度なドーピング: 質量分析器を用いて目的のイオンのみを選別して注入するため、不純物の混入を最小限に抑えられます。
• 幅広い材料への適用: 様々なドーパント元素をイオン化して注入できるため、シリコンだけでなく、他の半導体材料（SiC, GaNなど）や材料の表面改質にも応用されます。

　イオン注入法は、現代の高性能なマイクロプロセッサ（CPU）、メモリ（DRAM、NANDフラッシュ）、センサーなどの製造において不可欠な技術であり、半導体デバイスの微細化と高性能化を支える基盤となっています。

イオン注入法にはどのような装置が使用されるのか

　イオン注入法で使用される装置は、一般的に「イオン注入装置（Ion Implanter）」と呼ばれます。これは非常に複雑で精密な装置であり、ドーパント（不純物）をイオン化し、高エネルギーで半導体ウェハーに正確に打ち込むための様々なサブシステムで構成されています。

主要な構成要素

1. イオン源（Ion Source）:
   • ドーパントとなる元素（例：ホウ素、リン、ヒ素など）をガスや固体から供給し、プラズマ状態にしてイオンを生成する部分です。
   • フィラメントを加熱して放出される熱電子と原料ガスを衝突させてイオン化する方式（フリーマン型、バーナス型など）が一般的です。
2. 質量分析部（Mass Analyzer / Mass Separation Magnet）:
   • イオン源で生成されたイオンには、目的のドーパントイオン以外にも不純物イオンや分子イオンなどが含まれている可能性があります。
   • 質量分析部では、磁場を利用してイオンの質量と電荷に基づいて飛行軌道を偏向させ、目的のドーパントイオンのみを選別して取り出します。これにより、高純度なドーピングが保証されます。
3. 加速部（Accelerator / Acceleration Tube）:
   • 質量分析器で選別されたイオンに、高電圧（数keVから数MeVまで）を印加して加速させます。
   • イオンの加速エネルギーを調整することで、ウェハーに注入される深さを精密に制御できます。高エネルギー注入装置では、何段もの加速管を連ねて高電圧を得ます。
4. ビーム偏向・走査部（Beam Bending/Scanning System）:
   • 加速されたイオンビームは、通常は細い直線状です。ウェハー全面に均一にドーピングするために、ビームを電気的または磁気的に高速で走査させます。
   • これにより、ウェハー上の広い領域にわたって均一なイオン注入が可能になります。
5. エンドステーション（End Station / Wafer Stage）:
   • イオンビームが実際にウェハーに打ち込まれる場所です。
   • ウェハーを保持し、注入角度（傾斜角度、回転角度）を精密に制御する機構（ウェハーチャック、ロボットアームなど）を備えています。
   • ドーパントの均一性を確保するために、ウェハーを高速で回転させたり、X-Y方向に動かしたりする機能も持ちます。
   • プロセス中は高真空に保たれており、注入中にウェハーが汚染されるのを防ぎます。
6. 真空システム（Vacuum System）:
   • イオンビームが空気中の分子と衝突して減衰したり、不要な反応を起こしたりするのを防ぐため、イオン注入装置全体は非常に高い真空度（通常10⁻⁴ Pa以下）に保たれています。
   • ターボ分子ポンプ、クライオポンプなどの高性能真空ポンプが使用されます。
7. 制御システム:
   • イオン源、加速電圧、ビーム走査、ウェハー搬送、真空状態など、装置全体の動作を自動で制御・監視するコンピュータシステムです。
   • ドーズ量（注入イオンの総量）を正確に測定・制御する機能も持ちます。

イオン注入装置の種類

　注入するイオンのエネルギーや電流（ドーズ量）によって、主に以下の3種類に分類されます。

• 大電流イオン注入装置（High Current Implanter）: 比較的低いエネルギー（数十keV～数百keV）で、大量のイオンを高速に注入する装置。ソース/ドレイン形成など、トランジスタの多くの部分で使われます。
• 中電流イオン注入装置（Medium Current Implanter）: 中程度のエネルギー（数十keV～MeV）と電流で、様々なドーピングプロセス（閾値電圧調整など）に用いられる汎用性の高い装置。
• 高エネルギーイオン注入装置（High Energy Implanter）: 高いエネルギー（数百keV～数MeV）で、ウェハー深部へのドーピングや、埋め込み層の形成などに用いられます。

主要なイオン注入装置メーカー

• Applied Materials, Inc. (アプライドマテリアルズ)（アメリカ）: 世界最大の半導体製造装置メーカーであり、イオン注入装置においてもトップシェアを持っています。
• Axcelis Technologies (アクセリス・テクノロジーズ)（アメリカ）: イオン注入装置を専門とする数少ない企業の1つで、高い技術力を持っています。
• 日新電機（Nissin Electric Co., Ltd.）/ 日新イオン機器（Nissin Ion Equipment Co., Ltd.）: 日本の主要なイオン注入装置メーカーであり、幅広い種類の装置を提供しています。
• 住友重機械工業（Sumitomo Heavy Industries, Ltd.）/ 住友重機械イオンテクノロジー（Sumitomo Heavy Industries Ion Technology）: 日本の主要メーカーの一つで、特に高エネルギー注入装置や多機能な装置で実績があります。

　これらの装置は、現代の微細な半導体デバイスの製造において、非常に精密なドーピングを実現するために不可欠なものです。

高い選択性を持つ理由は

　イオン注入法が高い選択性を持つ理由は、主に以下の2点に集約されます。

マスク（フォトレジスト）による物理的な遮蔽

• イオン注入では、フォトリソグラフィ技術を用いて、ドーピングしたい領域だけが露出するように、残りの領域をフォトレジスト（感光性樹脂）で覆います。
• 加速されたイオンビームは直進性が非常に高く、フォトレジストの層によって物理的に遮蔽されます。フォトレジストが十分に厚ければ、イオンはこれを貫通できず、下のシリコンに到達しません。
• その結果、マスクで覆われていない露出した領域にのみ、ドーパントイオンが正確に打ち込まれます。

ドーパントの横方向拡散が極めて小さい

• 熱拡散法では、ドーパント原子が高温でランダムに拡散するため、マスクの下にも横方向（水平方向）にドーパントが入り込んでしまう「横方向拡散」が発生します。これが、デバイスの微細化を妨げる要因となります。
• 一方、イオン注入法では、イオンが非常に高い運動エネルギーを持ってウェハーに直接打ち込まれるため、熱的な拡散はほとんど起こりません。イオンが到達する深さは主に加速エネルギーによって決まり、横方向への広がりは非常に限定的です。
• この特性により、隣接する回路要素へのドーパントの混入が抑制され、より微細なパターンで正確なドーピングが可能となります。

　これらの理由により、イオン注入法はナノメートルレベルの微細な構造を持つ半導体デバイスにおいて、狙った位置に狙った量のドーパントを正確に導入できる、非常に高い選択性を実現しています。