イオン注入・ドーピング
半導体デバイス製造のための精密イオン注入と熱拡散ドーピング。B、P、As、Sbドーパント、Si、SOI、化合物半導体基板。
概要
イオン注入は半導体製造における主要なドーピング技術であり、拡散だけでは達成できないドーパント濃度、深さ、空間分布の精密制御を提供します。イオン化したドーパント原子を5 keVから3 MeVのエネルギーに加速しウェーハ全体にスキャンすることで、浅いソース/ドレイン延伸から深いレトログレードウェルまで精密に設計されたドーピングプロファイルを作成します。
当社の注入サービスは完全なプロセスチェーンをカバー：注入前表面処理、イオン注入（各イオン種に最適化されたビーム電流）、注入後アニール（RTAスパイクまたは炉管ソーク）、電気的特性評価（シート抵抗マッピング、SIMS、ホール測定）。100mmから200mmのシリコンウェーハを処理。
ドーパント種と能力
ボロン — P型ドーパント
シリコン用の主要な<strong>p型ドーパント</strong>。浅接合用の原子B⁺、またはプレアモルファス化と活性化向上のための分子BF₂⁺として提供。ボロンはソース/ドレイン延伸、ハロー注入、チャネルドーピング、ウェル形成に使用。典型的な注入後ピーク濃度：1×10¹⁸ – 5×10²⁰ cm⁻³。
リン — N型ドーパント
ウェル、ソース/ドレイン、エミッタ形成用の主力<strong>n型ドーパント</strong>。P⁺およびP²⁺として提供。リンは高い溶解度と中程度の拡散性により、深ウェルと埋め込み層に適したn型イオン種です。950°C RTA後の典型的な活性化率> 95%。
ヒ素 — 重N型ドーパント
浅接合および高濃度ソース/ドレイン領域用の<strong>重n型ドーパント</strong>。ヒ素の高い原子質量により非常にタイトな注入後プロファイルを実現 — 先端CMOSの極浅接合に理想的。ピーク濃度は1×10²¹ cm⁻³を超えることが可能。
アンチモン・インジウム — 低拡散性ドーパント
<strong>アンチモン（Sb⁺）</strong>はリンより約10倍低い拡散性を持つn型ドーパント — レトログレードウェルと埋め込み層に理想的。<strong>インジウム（In⁺）</strong>はボロンより約10倍低い拡散性を持つp型ドーパント。
注入パラメータ制御
| Parameter | Range / Specification | Control Mechanism |
|---|---|---|
| Implant Angle (Tilt) | 0° – 10° (typically 7° to suppress channeling) | Electrostatic beam steering ±0.1° |
| Wafer Twist | 0° – 360° (typically 22°–45° with 7° tilt) | Mechanical platen rotation ±0.5° |
| Beam Current | 10 μA – 10 mA (species and energy dependent) | Faraday cup feedback ±1% |
| Dose Uniformity | < 1% 1σ across 200mm wafer | Dual mechanical scan (slow horizontal, fast vertical) |
| Wafer Temperature | Ambient – 500°C (heated implant option) | Platen temperature control, IR pyrometer |
| Charge Neutralization | Low-energy electron flood gun for insulating substrates | Plasma bridge or electron shower, < 10V surface potential |
| Channeling Suppression | Screen oxide (10–50nm SiO₂) + 7° tilt | Amorphized surface layer via pre-amorphization implant (PAI) |
| Vacuum | < 5×10⁻⁷ Torr (end station) | Cryopump + turbomolecular pump stack |
すべてのパラメータは注入ステップごとに独立してプログラム可能。単一ウェーハラン内で異なるエネルギー、ドーズ、角度の多段注入シーケンスに対応。
注入後アニール
急速熱アニール (RTA)
<strong>急速熱アニール</strong>は拡散を最小限に抑えつつドーパント活性化に必要な時間-温度プロファイルを提供。スパイクアニールは極浅接合プロファイルを維持し> 90%の電気的活性化を達成。ソークアニールは欠陥アニール、注入損傷回復に使用。200mmウェーハ全体で温度均一性±2°C。
炉管アニール
<strong>従来型炉管アニール</strong>、高熱予算プロセスおよびバッチ処理向け。深ウェルドライブイン（1000–1100°C、2–4時間）に使用。バッチサイズ25–50枚/ラン。
ドーパント活性化検証
<strong>注入・アニール結果の包括的な電気的・化学的検証</strong>。4探針49点シート抵抗マッピングがウェーハ内均一性データを提供。検出限界1×10¹⁴ cm⁻³のSIMSプロファイリングが化学的ドーパント分布を検証。ホール効果測定がキャリア濃度と移動度を決定。SRPが5nm深さ分解能で接合深さを測定。
プロセスフロー
ウェーハ準備
RCA洗浄、スクリーン酸化膜成長（10–50nm熱SiO₂）、ウェーハ検査とロットトレーサビリティ。
イオン注入
イオン種選択、エネルギー/ドーズプログラミング、チャネリング抑制のための7°チルト角、リアルタイムビーム電流モニタリング付きデュアルスキャン注入。
注入後洗浄
フォトレジスト剥離（注入マスクとして使用した場合）、表面汚染除去のためのRCA洗浄、希釈HFでのスクリーン酸化膜剥離（オプション）。
注入後アニール
ドーパント活性化と最小拡散のためのRTAスパイクアニール（900–1100°C、< 1s）、または深ドライブインのための炉管アニール（700–1100°C、10分–4時間）。N₂、Ar、またはフォーミングガス雰囲気。
電気的特性評価
49点4探針シート抵抗マッピング、SIMSまたはSRPによる接合深さ検証、キャリア濃度と移動度のホール効果測定。
最終検査・出荷
光学検査、シート抵抗マップ付き適合証明書、ロットトレーサビリティ文書、ウェーハシッパーまたは単一ウェーハケースでのクリーンルーム梱包。
チャネリング抑制
イオンが主要な結晶軸に沿って移動する場合、格子深くまでチャネリングし、ドーピングプロファイルに予測不能なテールを生成します。当社は複数の戦略でチャネリングを抑制：7°のウェーハチルト、スクリーン酸化膜成長（10–50nm SiO₂）、ドーパント注入前の高ドーズSi⁺またはGe⁺によるプレアモルファス化注入（PAI）。
急峻なプロファイルを持つ極浅接合を必要とするお客様向けに、完全なチャネリング抑制プロトコルを推奨：PAI + スクリーン酸化膜 + チルト + 低温アニール。この組み合わせにより注入後プロファイルを表面から約15nm以内に制限し、RTA再結晶化後の結晶品質を維持します。
アプリケーション
CMOSウェル・チャネルエンジニアリング
ラッチアップ抑制のためのレトログレードウェル形成。チャネル注入によるしきい値電圧調整。短チャネル効果制御のためのハロー/ポケット注入。ミックスドシグナルおよびRF CMOS向けマルチウェル絶縁。SIMSおよび拡がり抵抗でドーパントプロファイルを検証。
パワーデバイスドーピング
高耐圧ダイオード、IGBT、パワーMOSFET向け深接合形成。エッジ終端のためのフィールドリングとJTE注入。IGBTおよびサイリスタ構造向け裏面エミッタドーピング。深n型埋め込み層向け最高3 MeVの高エネルギーP⁺注入。均一なキャリア寿命のための炉管アニール活性化。
イメージセンサ・フォトディテクタ
量子効率と暗電流最適化のためのフォトダイオードドーピングプロファイルエンジニアリング。CMOSイメージセンサ向けピンフォトダイオード注入。アバランシェフォトダイオード（APD）増倍領域ドーピング — 制御されたゲインのための増倍層の精密ドーピング。Si-SiO₂界面での暗電流低減のための表面パッシベーション注入。
耐放射線・研究
耐放射線電子機器、粒子検出器、研究デバイス向けカスタムドーピングプロファイル。BJTおよびBiCMOSプロセス向け深埋め込みコレクタ。高ドーズ炭素または酸素注入によるゲッタリング層。実験デバイス向けカスタム注入シーケンス — 基礎半導体物理研究から概念実証プロトタイプまで。
注入損傷と回復
各イオン衝突はシリコン原子を格子位置から変位させ、イオン軌道に沿って点欠陥（空孔と格子間原子）のカスケードを生成します。高ドーズでは個々の損傷カスケードが重なり、表面からイオンエネルギーと種によって決まる深さまで連続的な非晶質層を形成。非晶質化の臨界ドーズはイオン質量により異なります：重いAs⁺やSb⁺は軽いB⁺より低いドーズでSiを非晶質化。
アニールは固相エピタキシャル再成長（SPER）により注入損傷を回復。非晶質/結晶界面は550–600°Cで約1–10 nm/sの速度で表面に向かって進行。しかし、飛程末端（EOR）損傷はより高温のアニール（900–1000°C）が必要。当社のアニールプロトコルは設計されたドーピングプロファイルを維持しながら完全な損傷回復を達成するよう最適化されています。