ドーピングとは？ n型とp型で「ふだんはオフ」のスイッチをつくるしくみ

ドーピング（doping）とは、とても純粋なシリコンに、ほかの原子をわざとごく少しだけ加えて、電気の通り方を変えることです。リンのようにシリコンより電子が1つ多い原子を加えると、動ける電子が増えてn型になります。ホウ素のように1つ少ない原子を加えると、空席がいくつもできてp型になります。n型とp型を順番に並べると、チップの中のスイッチ（トランジスタ）ができます。ふだんはオフで、ゲートに電圧をかけたときだけオンになります。

純粋なシリコンは、なぜほとんど電気を通さない？

シリコン原子のいちばん外側には電子が4つあります。4本の手のように、それぞれがとなりのシリコン原子と手をつなぎ、原子はきれいな格子に並びます。電子はみな原子と原子のあいだにつながれていて動けないので、電流は流れません。いちばん基本からの説明は「半導体とは？」へ。

つながれた電子が動くには、まずひとつの段差を跳び越えなければなりません。教科書ではこの段差を「バンドギャップ」と呼びます。金属にはこの段差がなく、電子ははじめから動けます。ガラスやプラスチックは段差がとても高く、跳び越えられる電子はほとんどありません。シリコンの段差は高すぎも低すぎもせず、室温では熱でときどき電子が跳び越えますが、シリコン原子数兆個に1個くらいです。だから純粋なシリコンは、ほとんど電気を通しません。

ほかの原子を少し加えると、どうなる？

加える量はごくわずかです。少ないときはシリコン原子およそ1億個に1個、多いときはおよそ1万個に1個、場所によってはもっと多く入れます。

• リンを加えるとn型：リンの外側の電子は5つ。シリコン原子1つの代わりに入り、となりの4つと手をつないでも、1つ余ります。この電子はゆるくしかつかまっておらず、跳び越える段差もシリコンよりずっと低いので、室温ではほとんどが自由に動き回ります。動くのは負（negative）の電気をもつ電子なので、n型と呼びます。
• ホウ素を加えるとp型：ホウ素の外側の電子は3つだけなので、となりの1つは手をつなぐ相手がいません。そこに空席が1つでき、これを「正孔」と呼びます。駐車場で車がずらりと並び、1台分だけ空いているところを思い浮かべてください。うしろの車が前に詰めて空きに入ると、空きはその車がいた場所へ下がります。次の車もまた前に詰めて……車が1台ずつ前に進むと、空きはどんどんうしろへ下がっていきます。本当に動いているのは電子ですが、正（positive）の電気をもつ空席が動いているように見えるので、p型と呼びます。

シリコン全体が電気を帯びるわけではありません。n、pが言っているのは、中で動くのが電子なのか空席なのか、ということだけです。

n型とp型が出会うと、どうなる？

n型とp型がくっついたところでは、電流は一方向にしか通りません。p側からn側へ押すと通ります。逆に押すと、境目のまわりにもともとある、動けるものが何もない薄い帯が広がり、壁のようになってせき止めます。これだけをする部品がダイオードです。この「逆向きだとせき止める」壁を覚えておいてください。次の節で使います。

トランジスタは、なぜふだんオフなのか

トランジスタには入口（ソース）、出口（ドレイン）があり、真ん中の上にゲートがあります。ゲートとシリコンのあいだには、とても薄い絶縁膜があります（形は「トランジスタとは？」へ）。よくある種類では、ドーピングは次のように並んでいます。

1. ふだん：ソースとドレインはn型、真ん中の下の大きなかたまりはp型です。ソースからドレインへ行くには、nからp、pからnの2つの境目を通らなければならず、2つは背中合わせです。どちら向きに押しても、どちらかの境目が逆向きになり、その壁にせき止められます。だからスイッチは、ふだんからオフです。
2. ゲートにプラスの電圧をかける：絶縁膜ごしに、p型シリコンの表面へ電子を引き寄せ、空席を押しのけます。電圧が十分大きいと、表面のごく薄い層で電子が空席より多くなり、その層がn型のようにふるまいます。教科書ではこれを「反転層」と呼びます。
3. オン：この層が、一時的にかかったn型の橋になります。ソース、橋、ドレインがすべてn型になり、あいだに壁がなくなるので、電流が通ります。電圧を外すと橋は消え、またオフに戻ります。

この橋をかけるのに必要な電圧を、しきい値電圧といいます。下のp型を多くドーピングするほど空席が多く、それを上回るだけの電子を集める必要があるので、しきい値は高くなります。つまりドーピングは、n型かp型かだけでなく、スイッチが何ボルトでオンになるかも決めています。

もう1種類のスイッチは、ちょうど逆

もう1種類のトランジスタは、nとpを入れ替えたものです。ソースとドレインがp型、下がn型で、p・n・pの並びになります。ゲートの電圧が高いときはオフで、低いときだけオンになり、橋は空席でできます。

今のチップでは、たいていこの2種類を組にして使います。1つは出力を電源につなぎ、もう1つは出力をグラウンドにつなぎ、同時にオンになるのは片方だけです。スイッチのオンとオフが、その線を電源（1）につなぐか、グラウンド（0）につなぐかを決めます。この組み合わせをCMOSといいます。「CMOSとは？」へ。2種類とも必要なので、同じシリコンの上に、p型とn型の2種類の「土台」が要ります。それぞれ大きな範囲にドーピングしてつくることが多く、これをウェルと呼び、それぞれに1種類のトランジスタが乗ります。

工場では、どうやってドーピングする？

1. まず型紙を焼きつける：リソグラフィでレジストに、ドーピングしたい場所の穴をあけます。n型やp型にしたいのは決まった小さな部分だけで、ほかを覆わないと、ウェーハ全体が変わってしまいます。
2. 原子を打ち込む：今は主にイオン注入です。原子を電気を帯びたイオンにし、電場で加速してシリコンに打ち込むので、どれだけ、どの深さまで入れるかを正確に決められます（くわしくは「イオン注入とは？」）。以前は主に高温の熱拡散でした。ウェーハをとても熱い炉に入れ、原子を表面から少しずつしみ込ませる方法で、今も一部の工程で使われています（「拡散炉では何をしている？」へ）。
3. アニールする：打ち込んだ原子は、シリコン原子があるべき位置に収まってはじめて、電子を足したり空席をつくったりします。乱れた格子も並び直さなければなりません。アニールしないと、その部分は設計どおりに電気を通しません。ただ、長く熱すると原子が横へ動いてしまうので、多くは1枚ずつ、数秒だけ熱する方法に変わっています。
4. 場所を変えて、もう一度：n型のウェル、p型のウェル、しきい値を合わせる層、2種類のトランジスタそれぞれのソースとドレインは、別々に打ちます。だから1つの工程フローには、イオン注入が何回も出てきます。これらの工程がどうつながって1つのトランジスタになるかは「トランジスタはどうやってつくる？」へ。

ドーピングを間違えると、どうなる？

打ち込んだ原子は取り出せず、ウェーハの見た目も変わりません。間違えた場所によって、スイッチのずれ方が変わります。

• 下のかたまりに入れすぎた：しきい値が上がり、スイッチがオンになりにくく、遅くなります。
• 下のかたまりに少なすぎた：しきい値が下がり、きっちり閉じなくなります。ゲートが「オフ」と言っているのに電流が少しすり抜ける、これがリークです。ソースとドレインがとても近いと、下でつながってしまい、ゲートでも止められなくなることもあります。1つのチップには何億個ものスイッチがあり、1つずつのリークが少し増えるだけで、使っていないときも電気を使います（「チップはなぜ電気を使う？」へ）。
• ソースとドレインに少なすぎた：入口と出口の抵抗が大きくなり、スイッチがオンのときに流れる電流も小さくなります。

だから工場ではモニターウェーハのシート抵抗を測って、打ち込んだ量が合っているかを確かめます。ウェーハができあがると、WATでTEGを使い、スイッチのしきい値電圧とリークを測ります（「WATとは？」へ）。

fab24hrでは

メインストーリー「チップの一生」の第2章「一工程ずつ」は、ウェーハ投入から最初の5日間です。あなたは開発インテグレーションエンジニアとして、架空の補聴器用チップ「Glowmere」の第1ロット12枚について、開発ラインの7つのエリアを回ります。5日目、イオン注入装置IMP-R1の前で、まずランカードと装置のレシピを1行ずつ照合します。チルト角の行が違います。装置に残っていたのは、前の実験で使った、真正面から打つ版でした。直したら、Nウェルを打ち、レジストを塗り直してPウェルを打ちます。その夜、ウェーハは拡散炉FURN-R1でアニールされます。

「工場の一日」でも出会えます。「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「開発ライン」を押し、左右にスワイプして開発プロセスエンジニアで止め、名前の下の「イオン注入」を押します。Glowmereのソースとドレインにどれだけ、どの深さまで打つかは、あなたが試して決めます。深夜シフトでは、1枚のレシピが選び間違えられ、「やや速い」グループ向けのドーズで打たれてしまいます。量産工場にもイオン注入の役割があります。ゲームに出てくる会社・チップ・人物・装置番号・数字は架空です。ドーピングとは何か、トランジスタがどうオンオフするかは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。