イオン注入とは？半導体に不純物を入れる目的と、拡散との違いをわかりやすく解説【イオン注入・熱処理3級・第1講】

この記事でわかること

• ① シリコンはそのままでは電気を通しにくい
• ② リンとホウ素で電気の通り方を変える
• ③ どれくらい混ぜるのか
• ④ 入れ方は2つある
• ⑤ なぜ場所を選んで入れるのか

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① シリコンは、そのままでは電気をあまり通さない

大事なポイント：純粋なシリコンは、金属ほど電気を通さず、絶縁体ほど通さないという中間の性質をもちます。この性質をそのまま使うのではなく、あとから変えられるところが半導体の強みです。

ウェハは、ほとんどがシリコンという元素でできています。シリコンの結晶では、原子どうしが、外側にある4個の電子を出し合って手をつないでいます。電子はすべて結びつきに使われているため、電気を運べる自由な電子がほとんどありません。そのため、純粋なシリコンは、室温では電気を流しにくい物質です。

半導体という名前は、「導体（電気をよく通す）」と「絶縁体（通さない）」のあいだの性質をもつことに由来します。ただし、この中間という点は出発点にすぎません。大事なのは、ほんの少し別の元素を混ぜるだけで、電気の通りやすさを大きく変えられることです。この混ぜる操作をドーピングといい、混ぜる元素を不純物またはドーパントと呼びます。

ここでいう不純物は、「汚れ」という悪い意味ではありません。目的をもって、量と場所を決めて入れる材料です。逆に、意図せず入ってしまう金属などは、本講の対象ではありません。

よくある疑問：電気の通り道には、金属の配線を使います。それなのに、なぜ、わざわざシリコンに不純物を入れて、電気を「少しだけ」通す状態をつくるのでしょうか。理由は、配線とトランジスタで、役目が違うからです。金属の配線は、電気をいつも通す「道」です。一方、トランジスタは、電気を流したり止めたりする「スイッチ」です。金属はいつも電気を通してしまうので、スイッチにはなりません。シリコンなら、不純物の種類と量で、電気の通りやすさを選べます。この、通りやすさを選ぶ作業が、不純物を入れる工程です。そして、場所ごとに正確に入れる方法が、イオン注入です。

② リンとホウ素で、n型とp型をつくる

大事なポイント：リンを混ぜると電子が増えるn型に、ホウ素を混ぜると電子の抜けあと（正孔）が増えるp型になります。

シリコン原子の外側の電子は4個です。ここに、外側の電子が5個あるリン（P）が混ざると、結びつきに使われない電子が1個余ります。この電子は動き回れるので、電気を運びます。このように電子が主役になる半導体をn型といいます（nは「負」を意味する英語negativeの頭文字です）。リンのように電子を差し出す不純物をドナーと呼びます。

反対に、外側の電子が3個のホウ素（B）が混ざると、結びつきに電子が1個足りない場所ができます。この電子の抜けあとを正孔（ホール）といいます。となりの電子が正孔へ移ると、正孔が反対向きに動くように見えるため、正孔は＋の電気を運ぶ粒として働きます。正孔が主役の半導体をp型（positiveの頭文字）といい、ホウ素のように電子を受け取る不純物をアクセプタと呼びます。

シリコン向けの代表的な不純物として、ホウ素はp型、リンとヒ素はn型に使われる、と覚えておけば十分です。

ここで、なぜ2種類をつくり分けたいのかを説明します。トランジスタやダイオードは、n型とp型を隣り合わせにすることで、電気を一方向にだけ流したり、電気のオンとオフを切り替えたりします。片方の型しかなければ、ただの抵抗になってしまい、スイッチとしては働きません。電気を一方向に流す仕組みなど、半導体の電気の流れ方は、デバイス基礎3級の講座で順に学べます。ここでは「2種類が必要」とだけ覚えておけば、先へ進めます。

③ どれくらい入れるのか：ごく少量で十分

大事なポイント：混ぜる量は、シリコン原子に対して、ごく少ない割合です。一例として、5,000万個に1個ほどから、500個に1個ほどまでの範囲があります。

シリコンの結晶1立方センチメートルには、およそ5×10²²個の原子があります。これに対して、不純物の濃さは、1立方センチメートルあたり10¹⁵個から10²⁰個ほどの範囲が、一例としてよく使われます。幅が大きいのは、役目によって必要な濃さが違うからです。

たとえば、1立方センチメートルあたり10¹⁷個の不純物を入れた場合、シリコン原子およそ50万個に対して不純物が1個という割合になります。それだけでも、電気の通りやすさは、純粋なシリコンとは大きく変わります。ごく少量で性質が大きく変わるので、入れる量を正確に決めることが、半導体づくりの腕の見せどころになります。

濃さの単位「個/cm³」は、後の講でも使います。1 cm³は、1辺1cmの立方体の体積です。

④ 入れ方は2つ：熱拡散とイオン注入

大事なポイント：熱拡散は、高温で表面から不純物をしみこませる方法、イオン注入は、不純物をイオンにして電気の力で打ち込む方法です。

1つ目の熱拡散は、高温の炉の中で、不純物を含むガスなどをウェハの表面にふれさせ、不純物が結晶の中へ広がるのを待つ方法です。コーヒーに入れた砂糖が、かき混ぜなくても少しずつ広がるのと似ています。拡散は、濃い所から薄い所へ広がる現象なので、表面がいちばん濃く、深くなるほど薄くなる分布になります。

2つ目のイオン注入は、不純物の原子を、電気を帯びた粒（イオン）にして、電圧で加速し、ウェハへ打ち込む方法です。深さはイオンのエネルギーで、量は打ち込んだイオンの数で決まります。そのため、図のように、表面より少し深い所に濃い部分をつくることができます。

現在の量産では、量と深さを正確に決めやすいイオン注入が広く使われています（シリコンの不純物の入れ方として、イオン注入のほうが大規模な生産で一般的だと、資料にも書かれています）。ただし、打ち込むと結晶が傷つき、不純物もまだ働かない状態になるため、あとで熱をかけて直す工程が必要です。それが第4講で学ぶ、熱処理（アニール）です。

⑤ なぜ、場所を選んで入れるのか

大事なポイント：n型の領域とp型の領域を、必要な場所だけにつくるために、レジストなどで覆って、むき出しの所にだけ入れます。

半導体の回路では、同じウェハの上に、n型の部分とp型の部分を、細かく並べてつくります。そこで、不純物を入れたくない所を、マスク（覆い）で守ります。マスクには、これまでの講座で学んだレジストのほか、酸化膜などが使われます。

イオン注入では、レジストのマスクを使い、むき出しの所にだけイオンが入ります。このとき、イオンは、マスクの厚みで止められます。マスクが十分に厚いことが、前提です。

n型とp型が接する面をpn接合といいます。ダイオードやトランジスタの基本になる部分で、入れる深さと濃さで、性能が変わります。次の講から、イオン注入の仕組みを、順に説明します。

安全のひとこと：不純物を入れる工程では、ヒ素、リン、ホウ素を含むガスや固体を使うことがあり、毒性や可燃性をもつものがあります。また、高い電圧や高温の装置も使います。工場や実習では、専用の設備と決まりで管理されます。取り扱いは、必ず職場の決まりとSDS（安全データシート）に従います。

この講のまとめ

次の講では、イオン注入の装置が、どのようにイオンをつくり、選び、加速し、ウェハへ届けるのかを説明します。

ことばのおさらい

• ドーピング：不純物を意図して少量入れ、電気の通りやすさを変えることです。
• ドーパント：ドーピングで入れる不純物の元素です。
• n型・p型：電子が主役の半導体をn型、正孔が主役の半導体をp型といいます。
• 正孔（ホール）：電子が抜けたあとの空き。＋の電気を運ぶ粒として働きます。
• 熱拡散：高温で、不純物を表面から結晶の中へ広げる方法です。
• イオン注入：不純物をイオンにして加速し、ウェハへ打ち込む方法です。
• pn接合：p型とn型が接する面です。

よくある誤解

Q. 不純物を入れると、半導体の質が悪くなるのですか？

いいえ。ここでの不純物は、目的をもって量と場所を決めて入れる材料です。意図せず混ざる汚れとは、区別して考えます。

Q. 不純物は、たくさん入れるほどよいですか？

いいえ。濃さは役目によって決まり、濃すぎても性能が悪くなることがあります。入れる量を正確に決めることが大切です。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Doping (semiconductor)」（ドーピングの定義、ドナーとアクセプタ、濃さの目安、入れ方の種類。実際に読んだ）
• Wikipedia「Ion implantation」（イオン注入の概要、エネルギーの範囲。実際に読んだ）