今回のテーマは、
「打ち込んだイオンは、ウェハの中でどこに止まり、結晶をどのくらい傷つけるのか」
答え：イオンは、原子にぶつかりながらエネルギーを失い、平均の深さのまわりに散らばって止まります。結晶の通り道に入ると深く届き、ぶつかった分だけ結晶は傷つきます。
この記事でわかること
- ① イオンが止まるまで
- ② 深さと分布の形
- ③ 結晶の通り道に入る現象（チャネリング）
- ④ 結晶の傷み（損傷）
- ⑤ 分布を考えて注入する
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① イオンは、ぶつかりながら止まる
大事なポイント：イオンは、ウェハの中の電子や原子核にぶつかって、少しずつエネルギーを失い、やがて止まります。止まる深さは、1つずつ少し違います。
表面から入ったイオンは、ウェハの中で、シリコン原子の電子や、原子の中心にある原子核にぶつかります。電子との衝突は、進む向きをあまり変えずに、エネルギーを少しずつ奪います。一方、原子核との衝突は、向きを大きく変え、衝突された原子を、もとの位置から弾き飛ばします。
どちらの衝突も、1個1個のイオンで、起きる回数や場所が少しずつ違います。そのため、同じ条件で打ち込んでも、止まる深さは、イオンごとに違ってきます。
ここで、2つの言葉を決めます。止まった深さの平均を射影飛程（しゃえいひてい、Rp）といい、散らばりの幅を標準偏差（ΔRp、「ストラッグリング」とも呼びます）といいます。簡単にいえば、Rpは「平均でどれだけ深く入るか」、ΔRpは「どれだけ散らばるか」です。
確認クイズ：イオンが止まる深さの平均を、何というでしょう？
答え：射影飛程（Rp）です。
② 深さと分布の形：エネルギーとイオンの重さで決まる
大事なポイント：エネルギーが大きいほど、またイオンが軽いほど、深くまで入ります。分布は、表面より少し深い所に山がある形になります。
止まる深さの分布は、おおまかに、山の形（ガウス分布、釣り鐘型）で表せます。山の頂上が、平均の深さ（Rp）の位置で、山の幅が散らばり（ΔRp）です。第1講の図で、イオン注入では、濃さのピークが表面より少し深い所にくる、と見たのは、この理由です。
深さを決める要素は、2つあります。1つ目はエネルギーです。エネルギーが大きいほど、深くまで入り、散らばりも大きくなります。2つ目はイオンの重さです。同じエネルギーなら、軽いイオン（ホウ素）のほうが深く入り、重いイオン（ヒ素）は浅い所で止まります。浅い層をつくりたいときに、ヒ素のような重い元素が使われるのは、こうした理由です。
具体的な深さの値は、教科書の表や計算ソフトで調べます。本講では、傾向を押さえてください。濃さの最大値は、ドーズ量を散らばりの幅で割った値に近くなります。ドーズ量が多いほど、散らばりが小さいほど、山は高くなります。
確認クイズ：同じエネルギーで、ホウ素とヒ素のうち、浅い所で止まりやすいのは、どちらでしょう？
答え：重いヒ素です。
くわしく見る：山の高さの、おおよその計算
山の形をガウス分布とみなすと、濃さの最大値 Np は、ドーズ量を Φ、散らばりを ΔRp として、
Np ≒ 0.4 × Φ ÷ ΔRp
で、近似できます（0.4は、1÷√(2π) ≒ 0.399 から出た値です）。Φ ＝ 1014 個/cm2、ΔRp ＝ 0.02 µm の場合、単位をそろえて、0.02 µm ＝ 2×10−6 cm なので、
Np ≒ 0.4 × 1014 ÷ (2×10−6) ＝ 2×1019 個/cm3
です。検算として、山の面積を考えると、2×1019 × 2.5 × 2×10−6 ≒ 1014 となり、ドーズ量と合います。この計算は、理解のための仮の値で、実際の分布は、イオンとエネルギーで変わります。
③ チャネリング：結晶の通り道に入ると、深く届く
大事なポイント：結晶の原子の列のすき間にイオンが入ると、ぶつかりにくく、予定より深くまで届きます。これを防ぐため、ウェハを少し傾けます。
シリコンは、原子が規則正しく並んだ結晶です。決まった向きから見ると、原子の列のあいだに、すき間（通り道）が見えます。イオンが、この通り道に沿って入ると、原子にあまりぶつからず、深くまで届きます。この現象をチャネリングといいます。
チャネリングが起きると、分布の奥に、予定よりも深い所まで続く「すそ」ができます。すそは、接合が深くなりすぎる原因になります。しかも、通り道に沿って入るイオンの数は、少しの角度のずれで大きく変わるため、毎回同じ結果を得にくくなります。
対策は、いくつかあります。もっとも基本的なのは、ウェハを、イオンの向きから数度傾けることです。傾けると、イオンが、通り道ではなく原子の列にぶつかります。資料でも、ほとんどの注入は、結晶の向きから数度ずらして行う、と書かれています。傾き角は、約7度がよく使われる、との説明もあります（装置や工程で変わります）。ほかに、表面に薄い酸化膜を置いてイオンの向きをばらけさせる方法や、先に結晶をわざと壊してから注入する方法もあります。
確認クイズ：チャネリングを減らすための、もっとも基本的な方法は何でしょう？
答え：ウェハを、イオンの向きから数度傾けることです。
④ 損傷：イオンが通ったあとは、結晶が傷つく
大事なポイント：イオンが原子を弾き飛ばすと、結晶が乱れます。量が多いと、規則正しい並びが失われ、非晶質になります。
イオンが原子核にぶつかると、シリコン原子が、もとの位置から弾き出されます。弾き出された原子が、さらに別の原子を弾くこともあり、1個のイオンで、たくさんの原子が動かされます。その結果、結晶の中に、抜けた場所（空孔）や、余分な場所にいる原子ができ、結晶が乱れます。これを損傷といいます。
打ち込むイオンの量が増えると、乱れた部分が重なり、最後には、並びが失われた非晶質（アモルファス）という状態になります。資料でも、損傷の量が十分だと、表面が完全に非晶質になりうる、と説明されています。同じドーズ量でも、重いイオンほど、1個あたりの損傷は大きくなります。
損傷した結晶には、2つの問題があります。1つ目は、電気を運ぶ電子や正孔が、乱れた場所で捕まり、うまく流れないことです。2つ目は、打ち込んだ不純物が、結晶の正しい位置に入っていないことです。どちらも、次の講で学ぶ熱処理（アニール）で直します。
確認クイズ：結晶の規則正しい並びが失われた状態を、何というでしょう？
答え：非晶質（アモルファス）です。
⑤ 分布を設計する：エネルギーを選び、マスクを考える
大事なポイント：目的の深さと濃さを決め、エネルギーとドーズ量を選びます。マスクは、イオンを止められる厚さが必要です。
実際の工程では、狙う深さと濃さから、逆にエネルギーとドーズ量を決めます。浅い層なら、低いエネルギーと、重いイオン。深い層なら、高いエネルギーを使います。1回の注入で足りないときは、エネルギーを変えて、何回か打ち、分布を重ねることもあります。
注入しない場所を守るマスクは、イオンを止められるだけの厚さが必要です。薄いと、イオンが突き抜けて、守りたい場所に入ってしまいます。また、イオンはマスクの端のあたりで、少し横にも広がって止まります。細かい回路では、この広がりも考えて設計します。
ほかに、ウェハの表面が、イオンで削られる（スパッタ）現象や、絶縁膜の上に電気がたまる帯電も、注意する点です。これらは、2級以降で詳しく学びます。▶ 2級でくわしく
確認クイズ：マスクが薄すぎると、何が起きるでしょう？
答え：イオンが突き抜けて、守りたい場所に入ってしまいます。
くわしく見る：マスクの厚さの、おおまかな目安
マスクの中でも、イオンの止まり方は、山の形で散らばります。そこで、マスクの厚さを、「平均の深さ＋散らばりの3倍」より大きくする、という考え方があります（一般的な目安です）。たとえば、マスクの中でのRpが0.20 µm、ΔRpが0.05 µmとすると、
0.20 ＋ 3 × 0.05 ＝ 0.35 µm
より厚くします。実際のマスクの厚さは、さらに余裕を見て決め、材料やエネルギーで変わります。この計算は、理解のための仮の値です。
安全のひとこと：注入では、毒性のあるガス（ヒ素、リン、ホウ素の化合物など）、高電圧、運転中に発生しうるX線を扱います。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
イオンは、原子にぶつかりながら止まり、平均の深さ（Rp）のまわりに、山の形に散らばります。
エネルギーが大きいほど、また軽いイオンほど深く入り、結晶の通り道に入る（チャネリング）と、深くまで届くので、ウェハを少し傾けます。
イオンがぶつかった結晶は乱れ（損傷）、量が多いと非晶質になるため、あとで熱処理で直す必要があります。
次の講では、この傷んだ結晶を直し、不純物を働かせる熱処理（アニール）を、説明します。
ことばのおさらい
- 射影飛程（Rp）：イオンが止まる深さの平均です。
- ΔRp（標準偏差）：止まる深さの散らばりの幅です。
- チャネリング：結晶の原子の列のすき間に沿って、イオンが深くまで届く現象です。
- 損傷：イオンの衝突で、結晶の原子が弾き出されて乱れることです。
- 非晶質（アモルファス）：原子の規則正しい並びが失われた状態です。
- マスク：注入しない場所を守る覆いです。
よくある誤解
Q. イオン注入の深さは、全部のイオンで同じになりますか？
いいえ。1個ずつ止まる深さが違い、平均の深さのまわりに、山の形に散らばります。
Q. 結晶を傷つけるので、イオン注入は使えないのですか？
いいえ。傷は、あとで熱処理で直せます。傷むことを前提に、熱処理とセットで使います。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Ion implantation」（チャネリング、数度ずらす注入、非晶質化。実際に読んだ）
