性質を作り込む：イオン注入と熱処理

ウェーハの決められた場所にドーパントを入れてp型やn型の領域を作るイオン注入の仕組みと、入れた後に熱を加えて結晶を整え、ドーパントを働かせる熱処理を説明する。熱で表面に酸化膜を作る酸化と、熱を加える時間を短くする工夫も扱う。

形を作る工程と、性質を作る工程

この分野の工程のページでは、成膜、リソグラフィ、エッチングなど、ウェーハの上に形を作る工程を見てきた。チップを作るには、形だけでなく、場所ごとの電気の性質も作り込む必要がある。

分野「半導体の基礎」では、シリコンにごくわずかなドーパントを混ぜると、n型やp型になることを学んだ。分野「デバイス」では、MOSFETのソースとドレインが、基板とは反対の型の領域であることを学んだ。こうした領域を、ウェーハの決められた場所に作るのが、このページで扱うイオン注入と熱処理である。

イオン注入：原子を打ち込む

ドーパントを入れる方法として、今広く使われているのが「イオン注入」である。

まず、ドーパントになる元素を含むガスから、電気を帯びた原子（イオン）を作る。次に、そのイオンを電圧で加速して、勢いよくウェーハに打ち込む。イオンは、シリコンの結晶の中に入り込み、表面からある深さのところで止まる。

ドーパントを入れる方法には、ドーパントを含むガスの中でウェーハを熱し、表面から内側へ広げていく方法もある。この方法では、入る量や深さを細かく決めにくい。イオン注入は、これを細かく決められる方法として広がった。

途中で、磁石の力を使って、決めた種類のイオンだけを選び出す。電気を帯びたイオンは、磁石の中を通ると曲がり、その曲がり方はイオンの重さによって違う。この違いを利用して、ほかの原子を取り除き、入れたいドーパントだけをウェーハに届ける。

場所と、量と、深さを決める

イオン注入のよいところは、入れる場所、量、深さを細かく決められることである。

場所は、リソグラフィで決める。入れたくない場所を感光材（フォトレジスト）で覆っておくと、イオンは感光材に止められ、覆われていない場所にだけ入る。打ち込んだ後に、感光材を取り除く。

量は、打ち込むイオンの数で決める。流れるイオンの量を測りながら打ち込むので、決めた量を正確に入れられる。

深さは、イオンを加速する電圧で決める。電圧を高くするほど、イオンは勢いよく飛び込み、深くまで入る。電圧を低くすれば、表面の近くの浅い場所にとどまる。

こうして、同じウェーハの上に、n型の領域とp型の領域を、必要な場所に必要な深さで作り分ける。

打ち込んだ後は、結晶が乱れている

勢いよく打ち込まれたイオンは、通り道にあるシリコンの原子をはじき飛ばす。そのため、打ち込んだ直後の結晶は、原子の並びが乱れている。

また、入ったドーパントの原子は、まだ結晶の中の決まった位置に収まっていないものが多い。決まった位置に収まらないと、ドーパントとして電子や正孔を生み出す働きをしない。

熱処理：結晶を整え、ドーパントを働かせる

そこで、打ち込んだ後に、ウェーハを高い温度に熱する。熱を加えると、原子が動きやすくなり、乱れた原子の並びが元の規則正しい形に戻る。同時に、ドーパントの原子が結晶の決まった位置に収まり、働くようになる。この工程を「熱処理」または「アニール」と呼ぶ。

ただし、熱には困った面もある。高い温度で長く熱すると、ドーパントの原子が結晶の中を移動して、まわりに広がってしまう。せっかく決めた場所と深さが、ぼやけてしまうのである。

熱を加える時間を短くする

トランジスタが小さくなるほど、ドーパントの広がりは問題になる。わずかな広がりでも、ソースとドレインの間の距離が変わり、トランジスタの性質が変わってしまうからである。

そこで、熱を加える時間を、できるだけ短くする工夫が進んできた。ランプの強い光でウェーハを一気に熱し、すぐに冷ます方法が使われる。さらに、レーザーの光などで表面だけを、ごく短い時間だけ熱する方法もある。結晶を整えてドーパントを働かせるのに必要な熱は与えつつ、広がる時間を与えないという考え方である。

熱で膜を作る：酸化

熱を使う工程には、もう一つ大切なものがある。シリコンウェーハを、酸素や水蒸気のある中で熱すると、表面のシリコンが酸素と結びつき、シリコンの酸化物の膜ができる。これを「熱酸化」と呼ぶ。

ウェーハの材料を学ぶ分野で、シリコンが使われる理由の一つとして、表面に良い絶縁膜を作りやすいことを学んだ。熱酸化でできる膜は、シリコンとの境目が整っていて、質のよい絶縁膜になる。トランジスタどうしを電気的に分ける膜や、ゲートの下の絶縁膜などに使われてきた。

熱酸化や熱処理には、多くのウェーハをまとめて熱する炉や、一枚ずつ素早く熱する装置が使われる。

このページのまとめ

イオン注入は、ドーパントのイオンを電圧で加速してウェーハに打ち込み、n型やp型の領域を作る工程である。場所は感光材で覆って決め、量はイオンの数で、深さは加速の電圧で決める。打ち込んだ後は結晶が乱れているので、熱処理で並びを整え、ドーパントを働かせる。ドーパントが広がらないよう、熱を加える時間を短くする工夫が進んでいる。熱は、表面に質のよい酸化膜を作るのにも使う。