イオン注入
イオン注入は、加速したイオンを固体材料に衝突させることで、特定の元素を基板内部へ拡散させる技術だ。特に半導体産業ではドーピング工程として不可欠であり、デバイス特性を精密に制御するために用いられている。従来の拡散法と比べて注入深度や濃度プロファイルを正確に制御できるため、微細化が進む現代の集積回路製造には欠かせない。また、金属材料への表面改質や先端セラミックスの物性制御などにも応用され、広範な産業分野で活躍している。一方で、高エネルギーの衝撃によって材料表面に欠陥や損傷が生じることもあり、後工程のアニーリングなどで結晶性を回復させることが重要になる。
原理
イオン注入の原理は、イオン源で生成した特定元素のイオンを電界で加速し、ターゲット基板へ衝突させる点にある。エネルギーを帯びたイオンは、基板内を飛程に応じて減速され、最終的にはある深さに停止する。注入量は電流値と時間の積で決まり、エネルギーによってイオンの到達深度が決定される。基板を移動しながら複数回にわたって照射すれば、大面積の均一なドーピングや表面改質が可能となる。こうした制御性の高さが半導体プロセスをはじめ多くの応用を支えている。
加速器とイオン源
イオン注入装置にはイオン源と加速器が重要な構成要素として搭載される。イオン源でガス状、または固体から気化させた元素をイオン化し、加速器で高エネルギーまで引き上げる仕組みだ。イオン種にはホウ素、リン、ヒ素などが一般的に用いられ、加速電圧は数keVから数MeVまで幅広い。装置の真空度やビームの均一性は注入品質に直結するため、真空ポンプや磁場・電場の制御が精密に行われている。
注入プロファイルと深度分布
注入されたイオンの深度分布は、半導体デバイスの特性を左右する重要なパラメータだ。イオンが基板内に入射すると、衝突によるエネルギー損失が蓄積されていき、最終的に特定の深さで停止する。この分布はガウス形状に近くなることが多いが、ビームエネルギーやイオン種、基板の結晶構造によって微妙に変化する。より精密なシミュレーションを行うため、モンテカルロ法などの理論モデルが用いられ、目的のドーピングプロファイルを得るようにプロセス条件が調整される。
チャネリング効果
単結晶基板に対してイオンを入射するとき、結晶の特定方向に沿ってイオンが透過しやすくなるチャネリング効果が起こる場合がある。これにより、本来の計算よりも深くイオンが侵入してしまう可能性があり、意図しないドーピング分布を生じる原因となる。対策としては、ウエハをわずかに傾斜させたり、表面にアモルファス層を形成してチャネリングを抑制したりする方法が取られる。
活性化工程とアニーリング
イオン注入直後の基板には損傷が残り、注入元素の一部は活性サイトに配置されない。そこで熱処理（アニーリング）を行い、結晶欠陥を回復すると同時に注入元素を格子位置に組み込み、電気特性を高める。このプロセスでは温度と時間の選定が極めて重要で、適切に加熱すれば高い活性化率が得られる。一方、過度な温度上昇は不純物の拡散を招き、結晶性の低下やジャンクション深度の拡大を引き起こす恐れがあるため、プロセス最適化の要となっている。
応用分野
イオン注入は微細トランジスタのソース・ドレイン形成から、太陽電池の効率向上を目指す表面改質に至るまで、半導体製造で幅広く利用されている。また、金属材料への窒化イオン注入による表面硬化や耐摩耗性向上、医療用インプラントの生体適合性向上など、機能性付与の手段として多彩な応用が見られる。さらに、酸素イオン注入による絶縁層形成技術（SIMOX）など、新材料創製につながる先進的な手法が開発されており、研究と実用化が進んでいる。