イオン注入

イオン注入は、低温プロセスであり、 1つの元素のイオンが固体ターゲットに加速され、それによってターゲットの物理的、化学的、または電気的特性が変わります。イオン注入は、半導体デバイスの製造、金属仕上げ、および材料科学研究で使用されます。イオンがターゲット内で停止して留まると、ターゲットの元素組成が変わる可能性があります（イオンの組成がターゲットと異なる場合）。また、イオン注入では、イオンが高エネルギーでターゲットに衝突すると、化学的および物理的変化が起こります。ターゲットの結晶構造は、高エネルギー衝突カスケードによって損傷または破壊される可能性があり、十分に高いエネルギー（数十MeV）のイオンは、核変換を引き起こす可能性があります。

イオン注入装置は通常、目的の元素のイオンが生成されるイオン源、イオンが静電的にまたは無線周波数を使用して高エネルギーに加速される加速器、およびイオンが注入される材料であるターゲットに衝突するターゲットチャンバーで構成されます。したがって、イオン注入は粒子放射線の特殊なケースです。各イオンは通常、単一の原子または分子であるため、ターゲットに注入される材料の実際の量は、イオン電流の時間積分です。この量を線量と呼びます。インプラントによって供給される電流は通常小さい（マイクロアンペア）ため、妥当な時間内に注入できる線量も小さいです。したがって、イオン注入は、必要な化学変化の量が少ない場合に使用されます。

一般的なイオンエネルギーは、10～500 keV (1,600～80,000 aJ)の範囲です。1～10 keV (160～1,600 aJ) の範囲のエネルギーも使用できますが、貫通は数ナノメートル以下になります。これより低いエネルギーではターゲットへの損傷はほとんどなく、イオンビーム蒸着と呼ばれます。より高いエネルギーも使用できます。5 MeV (800,000 aJ) の加速器が一般的です。ただし、ターゲットに大きな構造的損傷が発生することが多く、深さ分布が広い (ブラッグピーク) ため、ターゲットのどのポイントでも正味の組成変化は小さくなります。

イオンのエネルギー、イオン種、ターゲットの組成によって、イオンが固体に浸透する深さが決まります。単一エネルギーのイオン ビームは、通常、広い深さ分布を持ちます。平均浸透深さは、イオンの飛程と呼ばれます。一般的な状況では、イオンの飛程は 10 ナノメートルから 1 マイクロメートルの間です。したがって、イオン注入は、ターゲットの表面近くで化学変化または構造変化を起こしたい場合に特に便利です。イオンは、固体中を移動するにつれて、ターゲット原子との偶発的な衝突 (突然のエネルギー移動を引き起こす) と、連続的なプロセスである電子軌道の重なりによる軽い抵抗の両方によって、徐々にエネルギーを失います。ターゲットでのイオン エネルギーの損失は停止と呼ばれ、バイナリ衝突近似法でシミュレートできます。

イオン注入用加速器システムは、一般的に中電流（イオンビーム電流が10μA～2mA）、高電流（イオンビーム電流が最大30mA）、高エネルギー（イオンエネルギーが200keV以上10MeV以下）、および超高線量（効率的な注入線量が1016^イオン/cm2^を超える）に分類されます。^{[1] [2] [3]}

イオン注入ビームラインの設計には、すべて機能コンポーネントの一般的なグループが含まれています (画像を参照)。イオンビームラインの最初の主要セグメントには、イオン種を生成するために使用されるイオン源が含まれます。イオン源は、ビームラインにイオンを抽出するためのバイアス電極と密接に結合されており、ほとんどの場合、メインの加速器セクションに輸送する特定のイオン種を選択するための手段と結合されています。

イオン源は、タングステン、酸化ランタンをドー​​プしたタングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点材料で作られることが多い。イオン源内部では、多くの場合、注入するイオン（ゲルマニウム、ホウ素、シリコン）を含むフッ素ベースのガス（三フッ化ホウ素、 ^[4]二フッ化ホウ素、^[5]四フッ化ゲルマニウム、四フッ化シリコンなど）を使用して、反射板と呼ばれる2つのタングステン電極間にプラズマが生成される。 ^[6] イオン源では、注入用のヒ素またはリンをそれぞれ供給するために、アルシンガスまたはホスフィンガスを使用することができる。 ^[7]イオン源には間接加熱カソードもある。あるいは、この加熱カソードを反射板の1つとして使用して、専用の反射板を必要とせずに済むようにすることもできる。^{[8] [9] [10]}または直接加熱カソードを使用する。^[11]

酸素や二酸化炭素などの酸化物ベースのガスも、炭素などのイオンに使用できます。 水素、またはキセノン、クリプトン、アルゴンを含む水素をプラズマに追加すると、ハロゲンサイクルによるタングステン部品の劣化を遅らせることができます。^{[6] [10] [12] [13]}水素は高圧シリンダーから、または電気分解を使用する水素発生器から供給できます。^[14] イオン源の両端にあるリペラーは、イオン源の一端から他端へと原子を継続的に移動させ、互いに向けられた2つの鏡が絶えず光を反射しているように見えます。^[8]

イオンは、イオン源の外側にある抽出電極によって、イオン源のスリット状の開口部を通してイオン源から抽出され、^{[15] [16]}、イオンビームは分析磁石を通過して注入されるイオンを選択し、1つまたは2つの^[17]線形加速器（リニアック）^[18]を通過してイオンを加速し、プロセスチャンバー内のウェハに到達します。^[18]中電流イオン注入装置では、イオンビームから中性イオンを除去するために、プロセスチャンバーの前に中性イオントラップもあります。^[19]

アルミニウムなどの一部のドーパントは、ガスとしてではなく、近くのるつぼで気化したヨウ化アルミニウムや塩化アルミニウムなどの塩素やヨウ素をベースにした固体化合物として、または酸化アルミニウムや窒化アルミニウムでできたイオン源内の固体スパッタリングターゲットとしてイオン源に供給されることが多い。^[14]アンチモンを注入するには、イオン源に取り付けられた気化器を使用する必要があることが多く、その中で三フッ化アンチモン、三酸化アンチモン、または固体アンチモンがるつぼで気化され、キャリアガスを使用して蒸気が隣接するイオン源に送られるが、六フッ化アンチモンなどのフッ素を含むガスから注入することも、液体五フッ化アンチモンから気化させることもできる。^[6]ガリウム、セレン、インジウムは、セレンの場合は二酸化セレンなどの固体源から注入されることが多いが、セレン化水素から注入することもできる。るつぼの寿命は60～100時間であることが多く、イオン注入装置が20～30分以内にレシピやプロセスパラメータを変更することを防ぎます。イオン源は300時間も持つことが多いです。^{[20] [6]}

「質量」選択（質量分析計の場合と同様）は、多くの場合、抽出されたイオンビームが磁場領域を通過することを伴う。この磁場領域では、出口経路が遮断開口部または「スリット」によって制限され、質量と速度/電荷の積の特定の値を持つイオンのみがビームラインを進むことができる。ターゲット表面がイオンビームの直径よりも大きく、ターゲット表面全体に注入された線量の均一な分布が望まれる場合は、ビームスキャンとウェーハの動きの組み合わせが使用される。最後に、注入された表面は、注入されたイオンの蓄積電荷を収集する何らかの方法と結合され、送達された線量を連続的に測定し、注入プロセスを所望の線量レベルで停止することができる。^[21]

ホウ素、リン、またはヒ素による半導体ドーピングは、イオン注入の一般的な用途です。半導体に注入されると、各ドーパント原子は、アニール後に半導体内に電荷キャリアを作成できます。p型ドーパントの場合は正孔、n型ドーパントの場合は電子を作成できます。これにより、その付近の半導体の導電性が変わります。この技術は、たとえば、MOSFETのしきい値電圧を調整するために使用されます。イオン注入は、半導体デバイスが異物に対して非常に敏感であるため実用的です。イオン注入では多数の原子が堆積されないためです。^[2] SiCデバイスの製造中など、SiCウェーハを500℃に加熱しながらイオン注入が行われることがあります。^[22]これはホットインプラントと呼ばれ、半導体の表面への損傷を制御するために使用されます。^{[23] [24] [25]}極低温インプラント（クライオインプラント）でも同じ効果が得られます。^[26]

ドーピングに使用されるエネルギーは、1 KeV から 3 MeV まで変化することが多く、物理的な制限により、あらゆるエネルギーのイオンを供給できるイオン注入装置を構築することは不可能です。イオン注入装置のスループットを向上させるために、注入装置によって生成されるビームの電流を増やす努力がなされてきました。^[2]ビームは、磁気的、静電的、^[27]機械的、またはこれらの技術の組み合わせによってウェハー上でスキャンできます。^{[28] [29] [30]}質量分析磁石を使用して、ウェハーに注入されるイオンを選択します。^[31]イオン注入は、LTPS トランジスタを含むディスプレイでも使用されます。^[18]

イオン注入は、1970年代後半から1980年代前半にかけて、光起電デバイスのpn接合を製造する方法として開発されました。^[32]急速アニールのためのパルス電子ビームの使用も開発されましたが、^[33]急速アニールのためのパルス電子ビームは、現在まで商業生産には使用されていません。イオン注入は、ほとんどの光起電性シリコンセルでは使用されていません。代わりに、熱拡散ドーピングが使用されています。^[34]

従来のシリコン基板からシリコン オン インシュレータ (SOI) 基板を作成するための代表的な方法の 1 つは、埋め込まれた高用量酸素インプラントを高温アニール処理によってシリコン酸化物に変換するSIMOX (酸素注入による分離) プロセスです。

メソタキシーとは、ホスト結晶の表面下で結晶学的に一致する相が成長することを指す用語です（基板の表面上で一致する相が成長するエピタキシーと比較してください）。このプロセスでは、第 2 相の層を作成するために十分なエネルギーと線量でイオンが材料に注入され、ターゲットの結晶構造が破壊されないように温度が制御されます。正確な結晶構造と格子定数が大きく異なる場合でも、層の結晶配向をターゲットの結晶配向と一致するように設計できます。たとえば、シリコン ウェーハにニッケル イオンを注入した後、シリサイドの結晶配向がシリコンの結晶配向と一致する ニッケル シリサイドの層を成長させることができます。

窒素やその他のイオンを工具鋼ターゲット（ドリルビットなど）に注入することができます。注入によって生じる構造変化により鋼の表面が圧縮され、亀裂の伝播が防止されるため、材料の破損に対する耐性が向上します。化学変化により工具の耐腐食性も向上します。

人工関節などの人工器具などの用途では、化学的腐食と摩擦による摩耗の両方に対して非常に耐性のある表面が求められます。イオン注入は、このような場合に、より信頼性の高いパフォーマンスを得るために、そのような器具の表面を加工するために使用されます。工具鋼の場合と同様に、イオン注入による表面改質には、亀裂の進行を防ぐ表面圧縮と、腐食に対する化学的耐性を高めるための表面の合金化の両方が含まれます。

イオン注入は、イオンビーム混合、つまり界面で異なる元素の原子を混合するために使用できます。これは、段階的な界面を実現したり、混ざり合わない材料の層間の接着を強化したりするのに役立つ場合があります。

イオン注入は、サファイアやシリカなどの酸化物にナノ次元の粒子を誘発するために使用できます。粒子は、イオン注入された種の沈殿の結果として形成される場合もあれば、イオン注入された元素と酸化物基板の両方を含む混合酸化物種の生成の結果として形成される場合もあり、HuntとHampikianによって最初に報告された基板の還元の結果として形成される場合もあります。^{[35] [36] [37]}ナノ粒子を生成するために使用される一般的なイオンビームエネルギーは50〜150 keVの範囲で、イオンフルエンスは10 16〜10 18 イオン/cm 2 の範囲です。^{[ 38} ] ^[ 39 ^{] [ 40] [41] [42] [43] [44] [45] [46]}以下の表は、この分野でサファイア基板に対して行われた研究の一部をまとめたものです。 1 nm から最大 20 nm までのサイズ範囲で、注入された種、注入されたイオンと基質の組み合わせ、または基質に関連する陽イオンのみから構成される組成を持つ、多種多様なナノ粒子を形成できます。

サファイアなどの誘電体をベースにした金属ナノ粒子を分散させた複合材料は、オプトエレクトロニクスや非線形光学の有望な材料である。^[42]

個々のイオンは、衝突時にターゲット結晶内に空孔や格子間原子などの多くの点欠陥を生成します。空孔は、原子によって占有されていない結晶格子点です。この場合、イオンはターゲット原子と衝突し、その結果、ターゲット原子にかなりの量のエネルギーが伝達され、結晶サイトから離れます。次に、このターゲット原子自体が固体内の発射体となり、連続的な衝突イベントを引き起こす可能性があります。格子間原子は、そのような原子（または元のイオン自体）が固体内で静止したが、格子内に存在できる空きスペースが見つからない場合に発生します。これらの点欠陥は移動して互いに密集し、転位ループやその他の欠陥を引き起こす可能性があります。

イオン注入は、多くの場合、ターゲットの結晶構造に望ましくない損傷を引き起こすため、イオン注入処理の後に熱アニールが行われることがよくあります。これは、損傷回復とも呼ばれます。

結晶学的損傷の量は、ターゲットの表面を完全に非晶質化するのに十分である可能性がある。つまり、非晶質固体になる可能性がある（溶融物から生成されたこのような固体はガラスと呼ばれる）。場合によっては、ターゲットの完全な非晶質化は、欠陥の多い結晶よりも望ましい。非晶質化された膜は、損傷の大きい結晶をアニールするのに必要な温度よりも低い温度で再成長させることができる。基板の非晶質化は、ビーム損傷の結果として発生する可能性がある。たとえば、150 keV のイオンビームエネルギーで 5*10 ¹⁶ Y ⁺ /cm ²のフルエンスでサファイアにイットリウムイオンを注入すると、外表面から測定して厚さ約 110 nm の非晶質ガラス層が生成される。[Hunt、1999]

衝突イベントによっては、原子が表面から 放出（スパッタリング）されるため、イオン注入によって表面がゆっくりとエッチングされます。この効果は、非常に大きな線量の場合にのみ顕著になります。

ターゲットに結晶構造がある場合、特に結晶構造がより開いている半導体基板の場合、特定の結晶方向は他の方向よりもはるかに低い阻止を提供します。その結果、イオンが特定の方向、たとえばシリコンやその他のダイヤモンド立方体材料の <110> 方向に沿って正確に移動すると、イオンの飛程が大幅に長くなります。^{[47]この効果は}イオンチャネリングと呼ばれ、すべてのチャネリング効果と同様に非常に非線形であり、完全な方向からのわずかな変化が注入深度に極端な違いをもたらします。このため、ほとんどの注入は軸から数度ずれて実行され、小さな位置合わせエラーがより予測可能な影響をもたらします。

イオンチャネリングは、ラザフォード後方散乱や関連技術において、結晶薄膜材料の損傷の量と深さのプロファイルを決定する分析方法として 直接使用できます。

ウェハーの製造では、イオン注入プロセスでアルシンやホスフィンなどの有毒物質がよく使用されます。その他の一般的な発がん性、腐食性、可燃性、または有毒な元素には、アンチモン、ヒ素、リン、ホウ素などがあります。半導体製造施設は高度に自動化されていますが、機械の保守作業中や真空ポンプのハードウェアで危険な元素の残留物に遭遇する可能性があります。

イオン注入に必要なイオン加速器で使用される高電圧電源は、感電の危険をもたらす可能性があります。さらに、高エネルギー原子衝突により、X線が発生し、場合によっては他の電離放射線や放射性核種が発生することがあります。高電圧に加えて、無線周波数線形粒子加速器やレーザー航跡場プラズマ加速器などの粒子加速器には、他の危険もあります。

• 物質中のイオンの停止と範囲
• プラズマ浸漬イオン注入

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