イオン注入装置の仕組みとは？イオン源・質量分離・加速・ドーズ量をわかりやすく解説【イオン注入・熱処理3級・第2講】

この記事でわかること

• ① 装置の全体の流れ
• ② イオンをつくる（イオン源）
• ③ 磁石で選ぶ（質量分離）
• ④ 加速して、全体に当てる（走査）
• ⑤ ドーズ量とエネルギー

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① イオン注入装置は、5つの部分でできている

大事なポイント：イオン源でイオンをつくり、磁石で選び、加速し、走査してウェハに当てます。どの部分が欠けても、狙いどおりには入りません。

イオン注入の装置は、大きく5つの部分に分けて考えると分かりやすくなります。それぞれに、「なぜ必要か」があります。

1. イオン源：不純物の原子をイオンにします。電気を帯びていないと、電圧で動かせないからです。
2. 質量分離：つくったイオンから、目的の1種類だけを選びます。ほかの粒が混ざると、意図しない元素が入ってしまうからです。
3. 加速：電圧でイオンを速くします。エネルギーが足りないと、浅い所で止まってしまうからです。
4. 走査：細いイオンのビームを、ウェハ全体に動かして当てます。ビームは細く、ウェハは広いので、動かさないと一部にしか当たらないからです。
5. ウェハ：最後に、イオンが打ち込まれる場所です。

装置全体は、空気を抜いた真空の中にあります。空気の分子があると、イオンがぶつかって、進む向きや速さが変わってしまうからです。

② イオン源：ガスから、イオンをつくる

大事なポイント：不純物を含むガスなどに電子をぶつけて、＋のイオンにし、電圧で外へ引き出します。

イオン源では、不純物を含む物質を、イオンにします。よく使われる材料には、ホウ素用の三フッ化ホウ素（BF₃）、リン用のホスフィン（PH₃）、ヒ素用のアルシン（AsH₃）といったガスがあります。固体の材料を熱して使う方式もあります。ガスは、流量を調整しやすく、装置へ送りやすい利点があります。

イオンをつくる方法は、次のとおりです。まず、装置の中で、電子を飛ばして、気体の分子や原子にぶつけます。ぶつかった衝撃で、原子から電子が弾き飛ばされると、電子を失った原子は、＋の電気を帯びたイオンになります。こうして、気体の一部がイオンと電子に分かれた状態（プラズマ）ができます。

イオンは、電気を帯びているので、電圧をかけると、その向きに動きます。そこで、イオン源の出口に電圧をかけ、イオンを外へ引き出して、ビームにします。ただし、この時点では、さまざまな種類のイオンが混ざっています。たとえば、BF₃からは、ホウ素のイオンだけでなく、フッ素を含むイオンなども一緒にできます。

③ 質量分離：磁石で、目的のイオンだけを選ぶ

大事なポイント：磁石の中では、イオンの質量などで曲がり方が変わります。そのため、すきまを通れるイオンだけを選べます。

イオンが磁石の中を通ると、進む向きが曲がります。曲がり方は、イオンの質量と電気の量、速さ、磁石の強さで決まります。同じ速さで同じ電気の量なら、軽いイオンほど大きく曲がり、重いイオンは曲がりが小さくなります。

そこで、磁石の出口に、すきま（スリット）を置きます。磁石の強さを調整すると、狙ったイオンだけがすきまを通り、軽すぎるイオンも重すぎるイオンも、板に当たって止まります。これが質量分離です。

たとえば、ホウ素は、自然の状態で、質量が少し違う2種類（ホウ素10と、ホウ素11）が、およそ2割と8割で混ざっています。質量分離を使うと、これらを区別して選べます。実際の工程では、狙った元素のイオンだけを選ぶことで、意図しない元素が入るのを防ぎます。

④ 加速と走査：速くして、全体へ当てる

大事なポイント：電圧で加速するほど、イオンのエネルギーは大きくなり、深くまで入ります。ビームは細いので、動かして全体へ当てます。

イオンは、電圧で加速されます。＋1価（電気が1つ分）のイオンが、50キロボルト（50 kV）の電圧で加速されると、50キロ電子ボルト（50 keV）のエネルギーをもちます。電子ボルトは、イオンなどのエネルギーを表す単位で、「1価のイオンが、1ボルトで加速されたとき」が1電子ボルトです。

イオン注入のエネルギーは、一般に、数keVから数百keV、さらに大きいMeV（100万電子ボルト）の装置まで、広い範囲があります。浅く入れたいときは小さく、深く入れたいときは大きくします。

もう1つの課題は、全体へ均一に当てることです。ビームの断面は、ウェハ全体に比べて、とても小さくなります。そこで、ビームを電気の力や磁石で左右に振り、ウェハを機械で上下に動かす、といった方法を組み合わせて、全面に当てます。当たりむらがあると、場所によって不純物の量が変わり、回路の性能がばらつきます。

⑤ ドーズ量とエネルギー：2つのつまみで決める

大事なポイント：入れる量は「ドーズ量」、入る深さは「エネルギー」で決めます。この2つが、注入の基本の設定です。

ドーズ量は、ウェハの1平方センチメートルあたりに打ち込んだイオンの数で、単位は「個/cm²」です。たとえば、10¹⁵ 個/cm² のように書きます。1回の注入で入れる量の目安で、深さごとの濃さ（個/cm³）とは、別のものです。

ドーズ量は、ビームの電流を測って決めます。イオンは電気を帯びているので、流れた電気の量（電流 × 時間）を、1個あたりの電気の量で割れば、打ち込んだイオンの数が分かります。装置は、電気の量を測りながら、決めた数に達したら、注入を止めます。

このように、量はドーズ量、深さはエネルギーで決めます。深さが同じで量を変えたいときは、ドーズ量だけを変え、量が同じで深さを変えたいときは、エネルギーだけを変えます。2つを独立に調整できることが、イオン注入の大きな利点です。

安全のひとこと：イオン注入装置では、毒性のあるガス（ヒ素、リン、ホウ素の化合物など）、数十kVから数百kV以上の高電圧、そして運転中に発生しうるX線に注意が必要です。装置は、専用の遮蔽と安全装置で管理され、立ち入りや保守にも決まりがあります。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、打ち込まれたイオンが、ウェハの中でどのように止まり、どんな分布になるのか、そして結晶にどんな傷が残るのかを説明します。

ことばのおさらい

• イオン源：不純物をイオンにして、ビームとして引き出す部分です。
• 質量分離：磁石で、目的のイオンだけを選ぶことです。
• keV（キロ電子ボルト）：イオンのエネルギーの単位です。1 keVは、1,000電子ボルトです。
• 走査：ビームやウェハを動かして、全面に当てることです。
• ドーズ量：1 cm²あたりに打ち込んだイオンの数（個/cm²）です。
• ビーム電流：イオンのビームが運ぶ電流です。ドーズ量を測るために使います。

よくある誤解

Q. イオン源でつくったイオンは、そのままウェハへ当てるのですか？

いいえ。いろいろな種類のイオンが混ざっているので、磁石で目的の1種類だけを選んでから、加速して当てます。

Q. ドーズ量が同じなら、深さも同じですか？

いいえ。ドーズ量は量で、深さはエネルギーで決まります。同じドーズ量でも、エネルギーが違えば、入る深さは変わります。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Ion implantation」（装置の構成、質量分離の磁石、エネルギーの範囲。実際に読んだ）
• Wikipedia「Doping (semiconductor)」（不純物の種類。実際に読んだ）