純粋なシリコンは電気をほぼ通さない——不純物を撃ち込み、1,000℃・ミリ秒の熱で目覚めさせる「イオン注入と熱処理」

なぜ半導体は「不純物」を混ぜないと動かないのか

ウェハーの回でも見たとおり、シリコンは純度99.999999999%——「9」が11個並ぶ水準まで磨き上げられて工場に届きます。ところが、その純粋なシリコンは電気をほとんど通しません。シリコン原子は隣同士でがっちり手をつなぎ合っていて、電気を運ぶ「自由に動ける電子」がほぼいないためです。

そこで、あえて別の原子を混ぜます。手の数が1本多いリンやヒ素を混ぜると電子が1個余り、そのマイナスの電子が電気を運ぶ「n型」になります。逆に手の数が1本少ないホウ素を混ぜると電子の「穴（正孔）」ができて、プラスの穴が電気を運ぶ「p型」になります。混ぜる量はごく微量なのに、電気の通しやすさは桁違いに変わります。

このp型とn型を組み合わせて作るのが、電気のON/OFFスイッチであるトランジスタです。つまり不純物は汚れではなく、半導体に電気の流れを教える「調味料」です。p型/n型の基礎から知りたい場合は「「半導体とは何か」」で詳しく解説しています。

イオン注入とは——どうやって原子を「狙って撃ち込む」のか

イオン注入とは、不純物の原子を電気を帯びたイオンに変え、電圧で加速して、ウェハーの狙った場所に撃ち込む工程です。Rapidusの前工程解説にあるとおり、「不純物原子をイオン化・加速し、狙った深さと濃度でシリコン基板に注入する」——ひと言でいえば、原子1粒を弾丸にした精密射撃です。

狙いの付け方は、大きく3つのパラメータで決まります。

「狙った場所だけ」に撃つ仕掛けは、前回の主役だったフォトレジスト（感光する保護膜）です。撃ち込みたくない場所をレジストや「酸化膜」のマスクで覆っておけば、イオンはマスクに止められ、開いた窓の部分だけに届きます。役目を終えたマスクを剥がして洗う工程は「「前回・レジスト剥離と洗浄の回」」で歩きました。

ここからの「撃って、焼く」の流れを、まず3Dモデルで見てください。

なぜ撃ち込んだままでは、まだ動かないのか

イオン注入には副作用があります。加速されたイオンは、整列したシリコン原子を弾き飛ばしながらもぐり込むため、通り道の結晶がぐしゃぐしゃに乱れるのです。ビリヤードのブレイクショットのように、1発のイオンが何百、何千個ものシリコン原子を玉突きで押しのけます。撃ち込みが終わったウェハーの表面付近は、原子レベルで見れば傷だらけの状態です。

しかも、撃ち込まれた不純物自身もまだ働けません。電気を運ぶ電子や穴を生み出せるのは、不純物がシリコン原子と手をつなぎ、結晶格子の「席」に正しく座ったときだけです。撃ち込まれた直後の不純物の多くは席に着けず、結晶の隙間に立ち往生しています。いわば、会場に飛び込んだものの席に着けていない観客です。

つまりイオン注入だけでは、結晶は傷つき、不純物は眠ったまま。このままではトランジスタとして使いものになりません。ここで登場するのが、もう1人の主役——アニールです。

アニール（熱処理）とは何をしているのか——1,000℃・ミリ秒の焼き入れ

アニールとは、ウェハーを高温で短時間加熱して、結晶の傷を治し、不純物を格子の席に座らせる熱処理です。熱で原子が動けるようになると、弾き飛ばされたシリコン原子は最も安定な場所——つまり元の整列した位置——に自分から戻っていきます。同時に、隙間で立ち往生していた不純物が空いた席に収まり、電子や穴を供給できる状態になります。これを「活性化」と呼びます。刀の焼き入れならぬ、「傷を治す焼き入れ」です。

難しいのは、熱のかけすぎが禁物という点です。温度が高い時間が長いと、せっかく狙った深さに撃ち込んだ不純物が熱でじわじわ拡がり、ナノメートル単位で設計されたトランジスタの形が崩れてしまいます。傷を治すには高温が欲しい、でも不純物は動かしたくない——この矛盾への答えが「高温を、一瞬だけ」です。

そのため加熱の道具は、炉でじっくり焼く方式から、ランプの光で表面だけを一気に焼く方式へ進化してきました。ウェハーを数秒で1,000℃前後まで駆け上げて即座に冷ますRTA（急速熱処理）、さらに先端品では、カメラのフラッシュのように光を焚いて表面だけをミリ秒（1000分の1秒）級で焼く方式まであります。たとえばMattson Technologyのミリ秒アニール装置は、アークランプの閃光で250〜1050℃の範囲を扱い、最大600℃の温度ジャンプを一瞬で与えます。深い傷は治しつつ、不純物はその場から動かさない——時間との勝負を、光の速さで戦っているわけです。

イオン注入とアニールの装置は、どの企業が強いのか

イオン注入装置の首位は米Applied Materials（AMAT）です。もともとこの分野の最大手は米Varianでしたが、AMATが2011年に約49億ドルでVarianを買収し、業界トップのイオン注入技術ごと手に入れました。露光以外のほぼ全工程を手がける総合装置メーカーの強さは「「企業分析・アプライドマテリアルズ」」で解説しています。

それを追うのが米Axcelisです。2024年の10-K（年次報告書）によれば、売上約10.2億ドルのうち98%超をイオン注入事業が占める専業メーカーで、システム出荷額の56%がパワーデバイス向け。EV向けSiC（炭化ケイ素）などパワー半導体の投資と強く連動します。装置の仕組みと2強の構図は「「製造装置・イオン注入の回」」でも整理しました。

日本勢も、この分野に確かな地歩を持っています。住友重機械グループ（旧・住友重機械イオンテクノロジー、現・住友重機械マテリアルソリューションズ）は高電流・中電流・高エネルギー（最大8MeV）・All-in-one型の4タイプを揃え、アルバックは加速電圧2.4MeVまで対応する高エネルギー機などIGBT（電力制御用の半導体スイッチ）向け装置を展開します。真空技術を核にしたアルバックの全体像は「「企業分析・アルバック」」をどうぞ。

一方のアニール装置（RTP）は、Applied Materials・Mattson Technology・Kokusai Electricの上位集中で、3社合計で世界シェア約77%との調査会社集計があります。撃つ側も焼く側も、少数の専門家が世界の工場を支える構図です。

こうして、ウェハーの中に「電気を操れる場所」が仕込まれました。次回は、無数のトランジスタ同士を銅の配線で何層にも結んでいく「多層配線」の工程を歩きます。