イオン注入装置とは？特徴や原理・新たな技術方法について解説

イオン注入装置は、イオン化させた個体に物質を注入して、その個体の特性を変化させるための装置です。半導体製造の現場で、デバイス特性を向上させるのに使用されます。

今回の記事では、イオン注入装置の特徴や関連用語、原理などについて解説します。

イオン注入装置の特徴

イオン注入装置は、注入量を調整しながらも高純度の物質を注入できます。位置精度にも優れており、さまざまな場面での活用が可能です。

この章では、イオン注入装置の特徴をそれぞれ解説します。

注入する量を調整できる

イオン注入装置は、一度に入れるイオンの量を調整しながら注入ができます。イオンを入れすぎることなく、適切な量でウエハーに直接イオンの注入を実現します。

イオンの種類を問わずに、目的に沿ったイオン注入が可能です。

純粋なシリコンに不純物を混入して、P型またはN型の半導体を作って、これらの半導体を合わせてデバイス操作を実現します。

注入したら、結晶を回復させるために回復後熱処理を行います。

高純度の物質を注入できる

イオン注入装置は、高純度の物質を注入できる点がメリットです。質量分離器を使用して、不要な元素やイオンを除去していきます。

熱拡散をするよりも、高確率で純度の高い物質を注入できます。

位置精度に優れている

イオン注入装置は、位置精度にも優れています。加速部から出るイオンビームの直進性を利用すれば、狙った箇所へイオン注入が可能です。

イオンビームは、ラスタースキャンまたはハイブリッドスキャンの方法で、ウエハーでスキャンされます。デバイスの構造が複雑な場合は、この特性が生かせます。

なお、イオン注入の工程次第では、真空ポンプが必要です。

イオン注入の原理

イオン注入は、不純物原子をイオン化し、高電圧で加速してウェーハに注入する方法です。質量分析器で不要なイオンを除去して、加速管や偏向器を使ってイオンビームも精度を高めます。

そして、Qレンズでイオンビームを磁界から絞り、走査器でイオンビームの方向を操作し、ウエハーに照射させます。

ひとつの装置の中で、複数の部品が連動して適切なイオン注入をさせる仕組みです。

イオン注入装置の関連用語

イオン注入装置に関連する言葉には、均一性や気相拡散、プラテンやビーム電流などがあります。イオン注入装置の特徴を説明するには、どの用語も欠かせません。

この章では、それぞれの用語の意味について解説します。

均一性

ウエハーに対して、イオンがどのぐらい均一に、どれほどの加速エネルギーで打ち込まれたか性能を示すのが均一性です。半導体デバイスにおいては、細やかな基準で計算されます。

性能が高い注入装置ほど、高い均一性があるとされています。

気相拡散

あらかじめ加熱したウエハー表面に、不純物を流します。そして、ウエハー表面で拡散して不純物を導入させるのが気相拡散です。

不純物分布を制御して、量産性を高められる方法として導入されています。

プラテン

プラテンとは、半導体製造装置などにおいて使用される部品で、装置内において半導体ウエハーを固定するためのプラットフォームやテーブルです。

さまざまな材質や形状で作られており、注入装置においては重要な役割を果たします。

プラテンがあることによって、ウエハーが装置内で回転したり、移動させたりして装置をサポートします。

ビーム電流

ビーム電流は、イオン注入の速度と深さを調節するために用いられます。イオン注入装置においては、とても重要なパラメーターです。

ビーム電流が高いほど、一定の時間内に注入されるイオンの量は多くなります。

半導体デバイスの製造工程において、ビーム電流は注入されるイオンの量を調節し、装置の特性を発揮します。注入装置にはなくてはならない性能です。

回復熱処理

イオンが注入されると、注入された領域が非晶質化します。非晶質化したウエハーを元に戻すため、回復熱処理が必要です。

回復熱処理をすると、非晶質化したウエハーが単結晶化して、結晶性は元に戻ります。

イオン注入装置の新たな技術

イオン注入装置の新たな技術として、プラズマドーピング法とレーザードーピング法があります。いずれも、イオン注入装置への導入が進んでいる革新的な技術です。

この章では、それぞれの技術について解説します。

プラズマドーピング法

プラズマドーピング法は、真空チャンバー内に不純物ガスを充満させ、高周波電力を流して不純物プラズマを発生させる方法です。そして、効率的にウエハー表面に不純物を拡散させます。

3次元粒子などの、新しい物質にも対応できると見込まれています。

ただし、加速を行わないため使用用途は限定されています。現在は、浅いドーピングのみに使用が限定されている方法です。

レーザードーピング法

レーザードーピング法は、減圧チャンバー内に不純物ガスを充満させて、レーザー光を照射してウエハー表面に溶かします。レーザーが照射されると、不純物が溶け出してウエハー表面に溶けてドーピングができます。

ただし、レーザードーピング法は深いドーピングには不向きの方法です。レーザー光をスポットで照射させるのは、範囲が限定されてしまいます。

イオン注入装置についてのまとめ

イオン注入装置は、さまざまな種類や用途があります。使用していくためには、製品の構造やシステムに対する十分な理解が必要です。

イオン注入装置の費用は高額のため、導入を検討する際にはしっかりと予算を立てましょう。