ドーピング工程とは何か？なぜ電気伝導性が向上するのか？どんな方法があるのか？

この記事で分かること

ドーピング工程

　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。

今回は不純物の添加、ドーピング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。

ドーピング工程とは何か

　半導体の前工程におけるドーピングは、半導体の電気的特性を意図的に変化させる非常に重要なプロセスです。純粋な半導体材料（真性半導体）は室温ではほとんど電気を通しませんが、不純物を微量添加することで、電気を効率的に流すことができるようになります。

ドーピングとは

　ドーピングとは、半導体の母材（主にシリコン）に、ごく微量の異なる元素（不純物）を添加することで、その電気伝導性を調整する技術です。これにより、半導体はN型半導体（電子が多い）またはP型半導体（ホールが多い）のいずれかの特性を持つようになり、最終的にトランジスタなどの半導体素子を形成し、集積回路を作り出すことが可能になります。添加される不純物の量は非常に少なく、例えば100万分の1程度の割合で添加されることもあります。

ドーピングの目的

• 導電性の向上: 純粋なシリコンは導電性が低いため、ドーピングによって自由電子やホールの数を増やし、電気を流れやすくします。
• 半導体デバイスの動作制御: N型とP型の半導体を組み合わせることで、ダイオードやトランジスタといった半導体素子を形成し、電流の方向や量を制御できるようになります。

ドーピングに使用される不純物（ドーパント）

• N型半導体: シリコン（4価）に、リン（P）やヒ素（As）などの5価の元素を添加します。これにより、シリコン原子と結合した際に余分な電子が1つ生じ、自由電子として電流のキャリア（運び手）となります。
• P型半導体: シリコン（4価）に、ホウ素（B）やアルミニウム（Al）などの3価の元素を添加します。これにより、シリコン原子と結合した際に電子が1つ不足し、「ホール」（正孔）と呼ばれる仮想的な正の電荷キャリアが生じます。

ドーピングの重要性

　ドーピングは、現代の半導体デバイスの性能と機能を実現するために不可欠なプロセスです。N型とP型の半導体を正確に形成し、その濃度や深さを制御することで、高性能なCPU、メモリ、センサーなど、あらゆる電子機器の基盤となる集積回路が製造されます。ドーピング技術の進化は、半導体産業の発展を支える重要な要素と言えます。

ドーピングにはどのような方法があるのか

　半導体のドーピングには、主に以下の2つの方法があります。

1. 熱拡散法（Diffusion）
2. イオン注入法（Ion Implantation）

1. 熱拡散法（Diffusion）

　熱拡散法は、古くから使われているドーピング方法で、高温の環境下でドーパント（不純物）を半導体材料（主にシリコンウェハー）中に拡散させる方法です。

• 原理: 半導体ウェハーを高温（通常、900℃～1200℃）の炉に入れ、ドーパントを含むガス（例：リンの場合はPH₃、ホウ素の場合はB₂H₆）や固体、液体をウェハー表面に接触させます。高温によってドーパント原子の熱運動が活発になり、シリコンの結晶格子中に原子が入り込み、濃度勾配に従って内部へ拡散していきます。
• 特徴:
  • 大面積へのドーピング: 大量のウェハーを一度に処理できるため、大量生産に適しています。
  • コスト効率: 装置が比較的シンプルで、運用コストも低い傾向にあります。
  • 制御性: ドーピングの深さや濃度の制御は、イオン注入法に比べて劣ります。濃度は表面から深くなるにつれて徐々に減少するプロファイルになります。
  • 熱ダメージ: 高温プロセスであるため、ウェハーに熱的なダメージを与える可能性があります。また、すでに形成された微細な構造が熱によって変形するリスクもあります。
  • 選択性: マスクを用いて特定の領域のみにドーピングを行うことも可能ですが、マスクの下にもドーパントが横方向に拡散してしまう「横方向拡散」が生じやすく、微細なパターン形成には不向きです。
• 用途: 比較的厚い層のドーピングや、比較的広い面積へのドーピング、古い世代の半導体デバイスの製造などに用いられます。

2. イオン注入法（Ion Implantation）

　イオン注入法は、現代の高性能半導体デバイスの製造において主流となっているドーピング方法です。ドーパント原子をイオン化し、高電圧で加速してウェハーに直接打ち込みます。

• 原理:
  1. イオン源の生成: ホウ素（B）、リン（P）、ヒ素（As）などのドーパントとなる元素をガスや固体からプラズマ化し、イオン（電荷を持った原子）を生成します。
  2. 質量分析: 生成されたイオンの中から、目的のドーパントイオンのみを質量分析器で選別し、不要なイオンを除去します。これにより、高純度なドーピングが可能です。
  3. イオンの加速: 選別されたイオンを電場で高電圧に加速します。加速エネルギーによって、イオンがウェハーに打ち込まれる深さが決まります。
  4. イオンの注入: 加速されたイオンを半導体ウェハーに打ち込みます。イオンはウェハーの結晶構造に入り込み、ドーパントとして機能します。
  5. アニーリング（熱処理）: イオン注入によって、ウェハーの結晶構造に損傷（格子欠陥）が生じます。この損傷を回復させ、かつ注入されたドーパント原子をシリコンの結晶格子サイトに固定し、電気的に活性化させるために、その後の工程で熱処理（アニーリング）が行われます。
• 特徴:
  • 精密な制御:
    • 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注入される深さをナノメートル（nm）オーダーで非常に精密に制御できます。浅い接合の形成に不可欠です。
    • 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正確に調整できます。
  • 選択的ドーピング: フォトレジストなどのマスクを正確にパターン形成することで、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。横方向拡散も熱拡散法より少ないため、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。
  • 多様なドーパント: 気体になりにくいドーパントでもイオン化して注入できるため、幅広い種類のドーパントに対応できます。
• 用途: 高集積化されたロジックLSI、メモリ、微細なトランジスタ構造など、現代のほぼすべての高性能半導体デバイスの製造に不可欠な技術です。

その他のドーピング方法

上記の2つの主要な方法の他に、特定の用途や研究段階で以下のような方法も存在します。

• プラズマドーピング法: 真空チャンバー内に不純物ガスを充満させ、高周波電力を印加してプラズマを発生させ、ウェハー表面に不純物を効率的に拡散させる方法です。主に浅いドーピングに利用されます。
• レーザードーピング法: 不純物ガス雰囲気中で、レーザー光を照射してウェハー表面を瞬間的に溶融させ、不純物を拡散させる方法です。

　半導体デバイスの複雑化と微細化が進むにつれて、ドーピング方法、特にイオン注入の精度と制御性は、デバイス性能を決定する上でますます重要になっています。