拡散とイオン注入

拡散とイオン注入がどういうものかを理解すれば、拡散とイオン注入の違いを理解することができます。まず、半導体に関する用語として、拡散とイオン注入があることを述べておく。半導体にドーパント原子を導入する技術である。この記事では、この2つのプロセスについて、その主な違いやメリット・デメリットを解説しています。

拡散は何ですか？

拡散は、半導体に不純物を導入するための主要な手法の一つである。この方法は、基本的に濃度勾配による不純物の原子スケールでの移動を考慮したものである。拡散処理は「拡散炉」と呼ばれるシステムで行われる。かなり高価なものですが、非常に精密です。

ドーパントの供給源は主に気体、液体、固体の3種類があり、この手法では気体供給源が最も多く使われている（信頼性が高く便利な供給源：BF3、PH3、AsH3）。この工程では、原料ガスがウェーハ表面の酸素と反応して、ドーパント酸化物を生成する。次に、シリコンの中に拡散し、表面全体に均一なドーパント濃度を作り出します。液体ソースには、バブラーとスピンオンドーパントの2つの形態があります。バブラーで液体を蒸気に変え、酸素と反応させてウェーハ表面にドーパント酸化物を形成する。スピンドーパントは溶液で、乾燥するとドープされたシリカ層が形成されます。固体ソースには、フレークまたは顆粒とディスクまたはウエハーの2つの形態があります。窒化ホウ素（BN）ディスクは最もよく使われる固体ソースで、750～1100℃で酸化させることができる。

半透膜（ピンク）の濃度勾配により物質（青）が単純拡散する様子。

イオン注入は何ですか？

イオン注入も、半導体に不純物（不純物）を導入する手法の一つである。低温技法である。高温拡散に代わるドーパントの導入方法として考えられている。このプロセスでは、高エネルギーのイオンビームをターゲットとなる半導体に照射する。イオンが格子原子と衝突することで、結晶構造に歪みが生じる。次にアニール、そして歪みの補正を行います。

イオン注入技術の利点としては、深さ方向の分布と線量を正確に制御できること、表面洗浄の影響を受けにくいこと、フォトレジスト、ポリシリコン、酸化物、金属などマスク材料の選択肢が広いことなどが挙げられる。

拡散とイオン注入の違い

-拡散過程では、粒子はランダムな運動によって高濃度領域から低濃度領域へと拡散する。イオン注入とは、高速に加速されたイオンを基板にぶつけることである。

-利点：拡散はダメージを与えず、また大量に行うことができる**。イオン注入は極低温で行われます。正確な量と深さをコントロールすることができます。また、酸化物や窒化物の薄層でもイオン注入が可能である。また、処理時間の短縮も含まれています。

-欠点：拡散は固体の溶解度に制限され、高温でのプロセスである。浅い接合と低線量は拡散が困難なプロセスです。イオン注入は、アニールの工程で追加コストが発生します。

-拡散はドーパント分布が等方的で、イオン注入はドーパント分布が異方的**である。

概要

イオンの注入と拡散

半導体（シリコン）に不純物を導入し、ほとんどのキャリアの種類と層の抵抗率を制御する方法として、拡散とイオン注入がある。拡散の際、ドーパント原子は濃度勾配を介して表面からシリコンに移動する。置換または間質性拡散のメカニズムによって行われる。イオン注入では、高エネルギーのイオンビームを注入し、ドーパント原子をシリコンに押し込むことができる。拡散は高温プロセスであるのに対し、イオン注入は低温プロセスである。イオン注入時にはドーピング濃度と接合深さを制御できるが、拡散時には制御できない。拡散は等方的なドーピングプロファイルを持ち、イオン注入は異方的**なドーピングプロファイルを持ちます。

1. Elizabeth 2424 (CC by-SA 3.0) 半透膜（ピンク）を通過する濃度勾配によって、物質（青）が単純に拡散していく様子 (CC by-SA 3.0)