半導体のイオン注入とは？原理と装置構成

イオン注入とは？

イオン注入は「不純物をイオン化し、高電圧で加速することでウェーハに注入する方法」です。デバイスの作成にはp型・n型領域を詳細に作り分ける必要があるため、不純物の精密な導入が非常に重要です。

不純物導入法はイオン注入の他に、熱拡散法があります。

• イオン注入

不純物原子をイオン化し、高電圧で加速することでウェーハに注入する方法。イオン注入後は結晶回復のため回復熱処理が必要。

• 気相拡散

加熱したウェーハ表面に不純物ガスを流し、ウェーハ表面から拡散で不純物を導入する方法。

• 固相拡散

ウェーハ表面に不純物を高濃度に含む膜(多結晶Si等)を堆積させた後、熱処理を施すことでウェーハ表面から拡散で不純物を導入する方法。

従来は熱拡散法が広く用いられていましたが、現在は低濃度～高濃度の不純物が導入が再現性高く行えるイオン注入が広く用いられています。

イオン注入装置の構成

イオン注入装置の構成は以下の通りです。

1. イオン源

目的の不純物元素を発生させます。PH₃(ホスフィン)やB₂H₆(ジボラン)といった原材料ガスが使用されます。

2. 引出電極

発生したイオンを正の電界によって引き出します。電界を発生させるための電圧を「引き出し電圧」と呼びます。

3. 質量分析器

磁場の作用で不要なイオンを除去します。不要なイオンとしては、目的の不純物以外の元素や、多価イオンなどがあります。

4. 分析スリット

質量分析の分解能を向上させるためのスリットです。スリット幅が狭いほどイオンの選択精度が向上します。

5. 加速管

電場をかけた管にイオンを通すことで、注入に必要な加速エネルギーをイオンに与えます。

6. 偏向器

イオンの入射位置を精度よく制御するため、イオンビームを偏向します。

7. Qレンズ

広がっているイオンビームを、磁界により絞るレンズです。

8. 走査器

イオンビームの方向を操作する装置です。イオンビームは照射径が小さい為、ウェーハ全面に当てるには操作する必要があります。

イオン注入の特徴

イオン注入は以下の特徴があります。

1. 注入深さ制御可能

イオンの注入深さは、加速電圧を調整することで制御可能です。侵入深さは最大でも1μmと比較的浅い領域です。

2. 注入量が測定可能

ウェーハに流れ込むイオン電流を測定することで、イオンの注入量が定量可能です。

3. 高純度に注入可能

質量分離器により不要な元素・イオンを除去できるため、熱拡散法よりも高純度に注入可能です。

4. 位置精度が高い

イオンビームは直進性が高い為、狙った位置にイオンを注入できます。複雑で微細なデバイス構造の作成に有利です。

5. 回復熱処理が必要

イオン注入されると、注入された領域が非晶質化するため、必ず回復熱処理が必要です。

回復熱処理

イオン注入は加速した原子をウェーハに打ち込むことで、不純物を導入する手法です。注入の衝撃により、イオン注入された領域は非晶質化(アモルファス化)するため、回復熱処理が必須です。

回復熱処理を施すことで、アモルファス化したウェーハが単結晶化し結晶性が回復します。

また、熱処理により格子間位置のドーパントSiの置換位置に拡散させることで、ドナー/アクセプターとして機能させることが出来ます。このような処理を「活性化」と言います。