イオン注入とは？――半導体へ必要な不純物を狙った深さに入れる

まず結論――半導体の電気的性質を「場所・深さ・量」で設計する

半導体のイオン注入（Ion Implantation）とは、ホウ素（B）、リン（P）、ヒ素（As）などの原子をイオン化し、電界で加速してシリコン（Si）などの基板へ打ち込む工程である。目的は材料の表面に何かを「塗る」ことではない。結晶内部の指定した領域に、不純物原子を所定の分布で導入し、電気的な性質を変えることにある。

イオン注入が半導体製造で重宝される理由は、注入する総量（Dose）と深さを左右する加速エネルギー（Energy）を、基本的には別々の装置条件として扱えるためだ。ただし、両者を設定すれば完成ではない。実際の濃度分布は、元素の種類、結晶方位、入射角、マスク、基板温度、さらに注入後の熱処理によって変わる。¹²

イオン注入の理解で最も重要なのは、次の区別である。

混同しやすいもの	実際の意味
注入量（Dose）	単位面積へ導入するイオン数。単位は通常 ions/cm² または cm⁻²
不純物濃度	単位体積に存在する原子数。単位は atoms/cm³ または cm⁻³
注入エネルギー	イオン1個が持つ運動エネルギー。通常 keV、深い注入では MeV
注入深さ	原子の到達位置の分布。1つの深さで全イオンが止まるわけではない
注入された原子	基板内に存在する不純物原子の総数
電気的に活性な原子	結晶内でドナー・アクセプターとして機能する不純物原子。総注入量とは一致しない

イオン注入は「不純物を入れる工程」、アニールは主として「損傷を回復し、不純物を電気的に機能させる工程」である。両者を一体で設計しなければ、狙ったトランジスタ特性には到達しない。

1. なぜシリコンに不純物を入れるのか

シリコン結晶は、周囲のシリコン原子と共有結合をつくる材料である。そこへ価電子数の異なる元素を少量加えると、電気の流れ方を大きく変えられる。これがドーピング（不純物添加）だ。

• リン（P）やヒ素（As）：シリコン中でドナーとして働く代表例。自由電子を供給し、一般に n型領域を形成する。
• ホウ素（B）：アクセプターとして働く代表例。正孔（ホール）が電流を運ぶ p型領域の形成に用いられる。

たとえばMOSトランジスタでは、チャネル付近の不純物分布がしきい値電圧、短チャネル特性、リーク電流に関係する。ソース・ドレイン領域では、電流を流しやすくするため高濃度のドーピングが必要になる。さらにウェル（井戸）領域では、表面より深い位置に異なる導電型の領域をつくる。²

重要なのは、半導体デバイスには「高濃度ならよい」という単純な答えがないことだ。過剰な拡散や結晶欠陥は、接合リーク、しきい値のずれ、抵抗の増加などを招く。設計対象は濃度の大小ではなく、三次元的な不純物分布と、その電気的活性なのである。

2. イオン注入装置は何をしているのか

代表的なビームライン方式の装置は、概ね次の工程で構成される。構造や各部の順番は装置方式によって異なる。²³

原料供給
  ↓
イオン源：目的元素を含むガス・固体などからイオンを生成
  ↓
引き出し電極：電界でイオンビームを取り出す
  ↓
質量分析：磁界などを用いて目的の質量電荷比のイオンを選別
  ↓
加速・減速／ビーム輸送：所定のエネルギーと形状に調整
  ↓
走査・角度制御：ウェハ上の照射量と入射角を制御
  ↓
エンドステーション：真空中でウェハに注入
  ↓
注入量検出・フィードバック：ビーム電流を積算して管理

2-1. イオン源と質量分析――なぜ目的元素だけを選べるのか

イオン源では原料を電離し、荷電粒子を生成する。しかし生成物が最初から目的のイオン1種類だけとは限らない。そこで質量分析磁石などを使い、質量と電荷の比（m/q）に応じた軌道の違いで必要なイオン種を選別する。

この工程を省くと、原料の分解生成物や別のイオンまで基板に到達し、意図しない汚染や濃度分布を生む可能性がある。ただし、質量分析だけですべての金属汚染やエネルギー混入を防げるわけではないため、実際の装置には複数のフィルターや材料管理が組み合わされる。²³

2-2. 加速エネルギー――電圧が深さに関係する理由

理想的に電位差 V で加速した電荷 q のイオンが得る運動エネルギーは、おおむね次の関係になる。

たとえば、1価の正イオンが10 kVの電位差で加速されれば、エネルギーは10 keVとなる。2価なら同じ電位差に対して20 keVになる。実際の装置では引き出し時のエネルギーや加減速構成もあるため、加速電圧と最終注入エネルギーを区別して管理する必要がある。

エネルギーを高くすると、一般にはより深い領域へ到達する。しかし、「10 keVなら何nm」と元素を問わず換算することはできない。軽いBと重いAsでは、シリコン原子との衝突の仕方も、到達深さも異なる。

2-3. ビームを均一に打つ――装置精度の本質

ウェハは有限の大きさを持つため、ビームを走査するか、ウェハを動かすなどして面内を処理する。管理すべき項目は、単なる平均ビーム電流だけではない。

• 注入量の面内均一性：中心と外周で累積照射量が変わらないか。
• 入射角の均一性：位置によって結晶に対する角度が変わらないか。
• エネルギー純度：想定外のエネルギーを持つイオンが混ざらないか。
• ビーム安定性：電流変動やビーム光学系のずれがないか。
• 帯電と汚染：絶縁膜上の帯電、スパッタ粒子、金属汚染などを抑えられているか。

とりわけ低エネルギー・高電流では、イオン同士の反発（空間電荷効果）でビームが広がりやすく、ビーム輸送が難しくなる。したがって、低エネルギー化すれば装置も簡単になるわけではない。²

2-4. 目的によって装置も異なる

代表的な分類	重視する性能	主な用途の例
高電流型	多量のイオンを短時間で注入	高濃度のソース・ドレイン領域など
中電流型	低～中注入量の精度、角度制御	しきい値調整、チャネル・ハロー注入など
高エネルギー型	高エネルギーで深く注入	深いウェルや埋込み領域など

これらはあくまで機能による代表的な区分で、エネルギー範囲や用途は装置によって重なる。商用装置には、数keVからMeV級まで扱うものもある。²³

3. Dose（注入量）とEnergy（注入エネルギー）を数字で理解する

3-1. Doseとは「面積当たりの原子数」

注入量 D の単位は cm⁻²。例えば 1×10¹⁴ cm⁻² は、1 cm²の面積当たり1×10¹⁴個のイオンを注入したことを意味する。これは厚さ方向にどのような分布をしているかを示す値ではない。

単一電荷のイオンが均一に当たり、測定電流が正しく補正されているという理想条件なら、注入量は以下で概算できる。

• I：ウェハに到達するイオンに対応する電流（A）
• t：注入時間（s）
• A：照射面積（cm²）
• e：電気素量（約 1.602×10⁻¹⁹ C）
• z：イオンの電荷数（1価なら1）

実機では走査による局所照射時間、マスク、二次電子、電荷中和などを考慮した線量測定系を使うため、この式は理解のための基本式である。

計算例：300 mmウェハに 1×10¹⁵ cm⁻² を注入する場合

直径300 mmの円形面積は約707 cm²。全面を一様に照射すると仮定すれば、必要なイオン数は約 7.07×10¹⁷個、1価イオンの総電荷は約 0.113 C。仮にウェハへ実効的に届く平均電流が1 mAなら、必要時間は約113秒となる。

これは走査損失、ビーム停止時間、搬送などを無視した理想計算であり、装置の実スループットを示すものではない。それでも、高Dose工程ではビーム電流が生産性に直結することが分かる。

3-2. Energyとは「どのくらい深く入りやすいか」の条件

イオンは基板中で衝突を繰り返し、少しずつエネルギーを失い、最後に止まる。エネルギー損失には大きく2種類ある。

1. 核的阻止（nuclear stopping）：基板原子との弾性衝突によって運動エネルギーを失う。原子のはじき出しや結晶損傷につながる。
2. 電子的阻止（electronic stopping）：基板中の電子系の励起・電離などによってエネルギーを失う。

両者の寄与はイオンの種類やエネルギーで変わる。したがって、同じ注入量でも加速エネルギーが違えば濃度分布が変わり、同じエネルギーでも注入元素が違えば損傷の様子まで変わる。¹⁴

4. すべてのイオンは同じ深さで止まらない――深さプロファイル

イオン注入でできる不純物分布を、深さプロファイル（濃度の深さ方向分布）という。イオンは結晶中で確率的に散乱されるため、停止位置にはばらつきが生じる。

単純化したモデルでは、分布をガウス分布で近似することがある。¹

• C(x)：深さ x における不純物濃度（cm⁻³）
• D：注入量（cm⁻²）
• Rₚ：平均投影飛程（ビーム進行方向に投影した平均的な到達深さ）
• ΔRₚ：投影飛程の標準偏差。ストラグル（straggle）と呼ぶ。

この式の前提は、ほぼランダムに散乱され、単峰性の分布をとり、表面での切断効果やチャネリングを無視できる場合である。実測プロファイルが常に左右対称のガウス分布になるわけではない。特に浅い注入、結晶方位の影響が大きい条件、複数回注入やアニール後は注意が必要だ。

4-1. 注入量が同じでもピーク濃度は変わる

例として、D = 1×10¹⁴ cm⁻²、ΔRₚ = 20 nm（=2×10⁻⁶ cm） と仮定する。上の近似式から得られるピーク濃度は、

となる。これは分布幅を仮定した計算例であり、特定の元素・エネルギーに対応する実測値ではない。

同じDoseでも分布幅が半分になれば、単純モデル上のピーク濃度は約2倍になる。つまり、Doseは総数、濃度はその総数がどこに分配されたかという違いがある。

4-2. 接合深さはRₚと同じではない

pn接合の位置は、単に不純物濃度のピークや平均到達深さでは決まらない。たとえばp型基板へn型不純物を注入する場合、概念的には、深さ方向で活性ドナー濃度と活性アクセプター濃度が釣り合う位置が接合境界に対応する。

実際には補償、電離率、複数の注入分布、アニールによる再分布も考慮する必要がある。「平均深さ30 nmだから接合深さ30 nm」とはならない。

4-3. 複数のエネルギーを組み合わせる理由

単一エネルギーの注入は、一定の深さ付近にピークを持ちやすい。深さ方向に比較的平坦な濃度分布をつくりたい場合には、エネルギーとDoseを変えた多段注入が使われる。浅い分布と深い分布を重ね合わせることで、単一条件では得にくい形へ近づけられる。

これはパワー半導体の領域形成などでも重要になる。ただし分布の重ね合わせに加えて、それぞれの注入で発生する損傷と後工程の熱履歴を計算しなければならない。

5. チャネリング――結晶の「すき間」を通るイオン

シリコンは原子が規則正しく並んだ結晶である。ある結晶軸や結晶面に沿ってイオンが入射すると、原子核との正面衝突を避けながら比較的遠くまで進むことがある。これがチャネリング（channeling）だ。

チャネリングによって深い側に少量の不純物が伸びる「テール」ができると、浅い接合を設計したつもりでも、想定以上の深さまでドーパントが入り得る。濃度のピークだけ見ていると見逃しやすい現象である。¹⁵

代表的な対策は次のとおり。

対策	考え方	留意点
ウェハを傾ける（Tilt）	ビームを主要な結晶軸から外す	角度によるマスク影や、段差側壁への注入量が変わる
ウェハ面内の向きを変える（Twist）	特定の結晶面・方向との整列を避ける	デバイス配置との相対角度も重要
薄い酸化膜などを介して注入	表面で散乱させ、方向を乱す	膜厚・エネルギーによって効果は変わる。膜内で失うエネルギーも要考慮
事前非晶質化注入（PAI）	SiやGeなどで表層を一時的に非晶質化し、結晶チャネルをなくす	追加損傷やアニール後の残留欠陥を増やす場合がある

したがって、チャネリングを防ぐために大きく傾ければ必ずよい、というわけではない。立体構造では入射角が大きいほどゲートやマスクによる影（シャドーイング）が問題となることもある。

6. イオンは不純物を運ぶと同時に、結晶を壊している

イオンがシリコン原子へ衝突すると、原子が本来の結晶位置からはじき出されることがある。こうして生じる代表的な欠陥が、原子が抜けた空孔（vacancy）と、本来の格子点以外にいる格子間原子（interstitial）である。

照射に伴う衝突の連鎖によって、局所的に多くの欠陥が生じる。条件によっては結晶の規則性が大きく失われ、非晶質化（アモルファス化）する。高Doseほど損傷が増えやすいが、損傷の蓄積は元素、エネルギー、基板温度、注入速度などにも依存する。⁴⁵

ここで重要なのは、「基板にB原子が存在すること」と「そのB原子がアクセプターとして働くこと」は別だという点である。不純物原子が結晶の適切な格子位置に取り込まれていなかったり、欠陥・複合体を形成していたりすれば、期待するキャリア濃度を得られない。

さらに、結晶欠陥が残るとキャリアの移動や接合の漏れ電流にも影響する。つまりイオン注入工程の品質は、注入した原子数だけでは判定できない。

7. アニール――なぜ注入後に加熱しなければならないのか

アニール（熱処理）の目的は、主に結晶損傷の回復とドーパントの電気的活性化である。加熱により原子が再配置され、不純物が適切な格子位置に取り込まれることで、電子や正孔を供給できる状態に近づく。⁴⁶

ところが、熱をかけると原子は拡散し、せっかく狙った深さに入れた不純物が広がってしまう。したがってアニールには、次の相反する要求がある。

• 十分に加熱したい：結晶損傷を回復させ、抵抗を下げ、活性化率を高めたい。
• 加熱しすぎたくない：浅い接合や急峻な濃度勾配を維持したい。

この両立のため、炉内で長時間保持する方法だけでなく、短時間で加熱する急速熱処理（RTA/RTP）、高温保持を極力短くするスパイクアニール、フラッシュランプやレーザーによる極短時間の熱処理などが使われる。最適条件は材料、工程順序、デバイスの熱履歴で異なる。⁶

7-1. 熱拡散を単純化すると

拡散係数 D_diff が一定で、通常の拡散方程式によって分布幅が広がる場合、その広がりを特徴づける距離の目安は、

で表せる。t は熱処理時間である。時間を短くすると拡散距離を抑えやすいが、現実の注入後シリコンでは、欠陥の生成・消滅によって通常の拡散モデルから大きく外れる場合がある。

7-2. 過渡的増速拡散（TED）――「熱を短くすれば安心」でもない

特にホウ素注入では、注入によって生じた過剰なシリコン格子間原子が、アニール初期の不純物拡散を強く促進することがある。これを過渡的増速拡散（Transient Enhanced Diffusion：TED）という。⁴⁵

TEDが重要なのは、次のようなことが起こり得るためだ。

1. 注入直後には、狙いどおり浅い位置に不純物が分布している。
2. 結晶回復のためアニールを開始する。
3. 損傷由来の点欠陥が拡散を促し、通常の熱拡散だけで予測した以上に深いテールが伸びる。
4. 活性化は進んでも、接合深さやリーク特性が設計からずれる。

「注入直後のプロファイルが正しい」ことは「完成後のプロファイルが正しい」ことを保証しない。 これこそ、イオン注入とアニールを独立した工程としてではなく、連続した材料プロセスとして扱うべき理由である。

7-3. PAIは万能ではない――EOR欠陥との交換条件

事前非晶質化注入（PAI）でチャネリングを抑えた場合、熱処理によって非晶質部分は再結晶化できる。しかし、非晶質層と結晶層の境界付近にはEOR欠陥（End-of-Range：非晶質層の終端付近などに形成される残留欠陥）が残ることがある。こうした欠陥はTEDや接合リークの原因となり得る。⁵

PAIによるチャネリング抑制の利益と、欠陥の残留・拡散への影響は一組の設計課題である。

8. トランジスタのどこにイオン注入が使われるのか

同じトランジスタを作る中でも、注入目的により必要なプロファイルは違う。²

用途	つくりたい領域・機能	典型的に重視すること
ウェル形成	nウェル・pウェルなどの比較的深い領域	深さ、濃度分布、他領域との分離
しきい値調整	チャネル近傍の濃度調整	しきい値電圧のばらつき、表層分布
ハロー／ポケット注入	短チャネル効果の抑制	注入角、ゲート端部付近の横方向分布
ソース・ドレイン拡張領域	ゲート近傍の浅い低抵抗領域	浅さ、横方向の広がり、活性化
高濃度ソース・ドレイン	電極接続のための導電性領域	高濃度活性化、シート抵抗、損傷
デバイス間の分離・補償	局所的な電気特性の調整	漏れ電流、欠陥、位置精度

深く入れたい場所と、極端に浅く保ちたい場所が同じチップに共存する。 だから、すべての注入を同じ装置・同じ条件で済ませられるとは限らない。

微細化と立体構造化が進むと、入射方向の制約も強くなる。従来の平坦なウェハでの「上から均一に入射する」発想では、FinFETの側壁、狭い隙間、段差の影に均一に不純物を導入することが難しい。そのため、素子構造によってはエピタキシャル成長など、イオン注入以外のドーピング手法も重要になる。イオン注入があらゆる三次元形状で最適とは限らない。

9. SiCパワー半導体では、同じイオン注入でも難しさが変わる

ここまでは主にシリコンを想定した。炭化ケイ素（SiC）のパワー半導体では事情が異なる。

SiCは不純物の熱拡散が極めて小さく、選択的なp型・n型領域を形成するためにイオン注入が重要な役割を持つ。代表的にはp型形成にアルミニウム（Al）、n型形成に窒素（N）やリン（P）が使われる。⁷

一方、SiCは強い結合を持ち、損傷の回復と電気的活性化が難しい。文献では、条件によって数百℃程度に加熱しながら注入する高温注入、さらに1500～1800℃程度あるいはそれ以上の高温アニールが検討・利用されている。高温アニールでは表面荒れや材料成分の脱離を避けるため、保護膜などの対策も必要になる。⁷

しかも、SiCでは「格子位置に入ったドーパント」と「室温で実際に自由キャリアを供給する割合」も単純には一致しない。活性化や補償に加え、ドーパントのイオン化エネルギーの問題があるからだ。

したがって、シリコン用の注入・アニール条件を、そのままSiCへ横展開することはできない。

10. 装置設定が正しくても完成品が不良になる――評価と原因の切り分け

イオン注入の評価では、総原子濃度・電気的活性・結晶品質・位置分布を分けて調べることが重要となる。

評価手段	主に分かること	これだけでは分からないこと
SIMS（二次イオン質量分析）	元素濃度の深さ分布、拡散後のテール	その原子が電気的に活性かどうか
四探針法によるシート抵抗	注入・熱処理後の面内電気抵抗	深さごとの元素濃度の一意な内訳
ホール測定	キャリア濃度、移動度、導電型など	深さ方向の詳細な元素分布（通常の測定だけでは不十分）
拡がり抵抗測定・電気的プロファイル測定	深さ方向の電気的な導電性の情報	化学的な総原子濃度の直接測定ではない
TEM（透過電子顕微鏡）	非晶質層、転位、EOR欠陥などの微細構造	面内全域の不純物濃度を直接保証すること
注入・拡散シミュレーション（SRIM、TCADなど）	注入条件に対する分布・損傷・熱処理の予測	材料・モデルの較正なしに完成品の実測値を保証すること

たとえば、SIMSで総不純物量が設計どおりなのに、シート抵抗が高い場合、単純なDose不足だけでは説明できない。活性化不足、残留欠陥、キャリア移動度の低下、補償などを疑う必要がある。

逆に、シート抵抗が低くても接合リークが大きければ、抵抗だけで合格とは言えない。深いテール、結晶欠陥、界面品質、端部の電界集中など別の評価軸がある。

現場で起こりやすい問題と見るべきパラメータ

発生した問題	主な仮説	追加で確認すること
ウェハ中心と端で抵抗値が違う	Dose、入射角、アニール面内温度差	ビーム走査、線量積算、角度分布、熱処理均一性
想定より深い不純物のテールがある	チャネリング、TED、膜厚・エネルギーのずれ	Tilt/Twist、表面膜、SIMS前後比較、アニール履歴
注入量は正常だが抵抗が高い	活性化不足、結晶欠陥、補償	SIMSと電気測定の突き合わせ、TEMなど
リーク電流が大きい	残留欠陥、接合形状の変化、汚染など	EOR位置、アニール、金属・粒子汚染、接合評価
微細パターンで位置依存性が出る	マスクの影、角度ずれ、段差形状	パターン断面、ビーム方向、Tilt/Twist、回転条件
高Doseで生産性が出ない	有効ビーム電流不足、ビーム輸送・走査損失	低エネルギー時のビーム拡がり、透過率、注入時間

これらは原因の確定ではなく、診断の出発点である。同じ電気特性の変化に複数の要因が重なるため、単一の測定だけで工程原因を決めつけないことが重要だ。

11. よくある疑問

Q. 不純物を入れるだけなら、熱拡散でよいのでは？

熱拡散もドーピング手法の一つである。ただし拡散は、濃度・深さが温度と時間に強く依存する。イオン注入は、装置側で注入量とエネルギーを直接設定し、マスクと組み合わせて局所領域を形成しやすい。ただし最終的な分布はアニールにも依存するため、熱履歴から完全に自由という意味ではない。¹²

Q. エネルギーを2倍にしたら、深さも2倍になる？

必ずしもならない。飛程は元素の質量、電荷状態、基板組成、衝突時のエネルギー損失、結晶方位などに依存する。エネルギーと到達深さは、全条件に共通する単純な比例関係ではない。

Q. Doseを2倍にすれば、抵抗は半分になる？

そうとは限らない。高濃度では活性化率、欠陥、補償、固溶限界、キャリア移動度なども効く。さらに分布の形や注入後の拡散が変化すると、単純な反比例では整理できない。

Q. 注入直後にドーパントが入ったなら、アニール前でも使える？

目的の電気特性を保証するには不十分である。注入直後は結晶に損傷が残り、原子が適切な格子位置に入っていない可能性がある。注入後の熱処理を含めて、電気的活性と欠陥を確認する必要がある。

まとめ――イオン注入は「イオンビームで描く三次元の電気特性設計」

イオン注入の核心は、単に不純物を打ち込むことではない。

1. 元素を選ぶ――B、P、Asなど、目的に合うドーパントを用いる。
2. Doseを決める――必要な総原子数を設定する。
3. Energyと入射角を決める――深さ・横方向分布・チャネリングを制御する。
4. 損傷を見越す――注入した瞬間から結晶欠陥が発生する。
5. アニールと組み合わせる――活性化させながら、過剰な拡散を抑える。
6. 化学濃度と電気特性の両方を測る――SIMSだけ、抵抗値だけでは工程の成否を判定しきれない。

一言でいえば、「必要な元素を、必要な場所に、必要な量だけ入れ、必要な状態で残す」ための技術である。半導体の微細化が進むほど、最後の「必要な状態で残す」ことが難しくなる。そこに、装置技術と材料物理の両方が必要とされる理由がある。

参考文献・技術資料

以下は本文の基礎物理・装置構成・材料特性の確認に用いた資料。装置メーカーの記述は製品仕様や技術説明、論文・講義資料は一般原理や実験結果として区別して参照した。

1. MIT OpenCourseWare, Ion Implantation and Annealing – Analytic Models and Monte Carlo（微細加工物理、講義12）。注入分布と注入・アニールのモデル。講義ページ
2. Leonard Rubin & John Poate, Ion Implantation in Silicon Technology, The Industrial Physicist（2003）。装置構成、Dose・Energyの用途範囲、角度・ビーム輸送・汚染。Axcelis掲載PDF
3. Axcelis Technologies, Purion M Series / Purion H6 Series。商用装置におけるエネルギー範囲、角度精度、純度制御の例。中電流型 ／ 高電流型
4. MIT OpenCourseWare, Ion Implantation and Annealing – Physics of E Loss, Damage, Introduction to TED（微細加工物理、講義13）。阻止能、結晶損傷、過渡的増速拡散。講義ページ
5. L. S. Robertson et al., Correlation of End-of-Range Damage Evolution and Transient Enhanced Diffusion of Boron in Regrown Silicon, Applied Physics Letters（1999）。EOR欠陥とホウ素の過渡的拡散。NIST掲載概要
6. Applied Materials, Vantage Radiance Plus RTP。短時間スパイクアニールや温度均一性の商用技術例。公式製品ページ
7. F. Roccaforte, F. Giannazzo, G. Greco, Ion Implantation Doping in Silicon Carbide and Gallium Nitride Electronic Devices, Micro, 2(1), 23–53（2022）。SiCの高温注入、活性化アニール、Siとの違い。レビュー論文

※ 本文中の計算例は物理的関係を理解するための例示。装置の個別仕様、製品用レシピ、量産の管理値を示すものではない。