イオン注入と拡散プロセス

イオン注入は半導体ドーピングの方法であり、半導体製造の主要プロセスの 1 つです。

なぜドーピングをするのか？

純粋なシリコン/真性シリコンは内部に自由キャリア (電子または正孔) を持たず、導電性が劣ります。半導体技術におけるドーピングとは、真性シリコンに微量の不純物原子を意図的に添加してシリコンの電気的特性を変化させ、シリコンの導電性を高め、さまざまな半導体デバイスの製造に使用できるようにすることです。ドーピングは、ｎ型ドーピングまたはｐ型ドーピングであり得る。 n 型ドーピング: 5 価の元素 (リン、ヒ素など) をシリコンにドーピングすることによって実現されます。 p 型ドーピング: シリコンに 3 価の元素 (ホウ素、アルミニウムなど) をドーピングすることによって実現されます。ドーピング方法には通常、熱拡散とイオン注入が含まれます。

熱拡散法

熱拡散とは、加熱することによりシリコン中に不純物元素を移動させることです。この物質のマイグレーションは高濃度の不純物ガスが低濃度のシリコン基板に向かって起こるもので、そのマイグレーションモードは濃度差、温度、拡散係数によって決まります。そのドーピング原理は、高温でシリコンウェーハ内の原子とドーピングソース内の原子が移動するのに十分なエネルギーを得るというものです。ドーピング源の原子はまずシリコンウェーハの表面に吸着され、次にこれらの原子はシリコンウェーハの表層に溶解します。高温では、ドーピング原子がシリコンウェーハの格子ギャップを通って内部に拡散するか、シリコン原子の位置を置き換えます。最終的に、ドーピング原子はウェーハ内で特定の分布バランスに達します。熱拡散法はコストが低く、プロセスが成熟しています。ただし、ドーピングの深さと濃度の制御がイオン注入ほど正確ではないことや、高温プロセスにより格子損傷などが生じる可能性があることなど、いくつかの制限もあります。

イオン注入：

ドーピング元素をイオン化してイオンビームを形成し、高電圧により一定のエネルギー（keV～MeVレベル）まで加速してシリコン基板に衝突させることを指します。ドーピング イオンはシリコンに物理的に注入され、材料のドープ領域の物理的特性を変化させます。

イオン注入の利点:

低温プロセスであり、注入量/ドーピング量を監視でき、不純物含有量を正確に制御できるため、不純物の注入深さを正確に制御できる。不純物の均一性は良好です。ハードマスクに加えて、フォトレジストもマスクとして使用できます。互換性によって制限されません（熱拡散ドーピングによるシリコン結晶中の不純物原子の溶解は最大濃度によって制限され、バランスの取れた溶解限界が存在しますが、イオン注入は非平衡物理プロセスです。不純物原子は注入されます）シリコン結晶中の不純物の自然溶解限界を超える可能性がある高エネルギーでシリコン結晶に水を注入することです。1 つは静かに物を湿らせること、もう 1 つは強制的に弓を引くことです。)

イオン注入の原理：

まず、イオン源内で不純物ガス原子が電子と衝突してイオンを生成します。イオン化されたイオンは吸引コンポーネントによって抽出され、イオンビームが形成されます。磁気分析後、異なる質量電荷比を持つイオンが偏向されます（前方で形成されたイオンビームにはターゲット不純物のイオンビームだけでなく、フィルタリングする必要がある他の材料元素のイオンビームも含まれるため） out）を行い、条件を満たす純粋な不純物元素のイオンビームを分離し、高電圧で加速してエネルギーを高め、集束させて電子走査し、最終的に目的の位置に衝突させて注入します。

イオン注入された不純物はそのままでは電気的に不活性であるため、イオン注入後に高温アニールを行って不純物イオンを活性化することが一般的であり、イオン注入により生じた格子損傷を高温により修復することができる。

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