炉アニール・RTA・レーザーアニールの違い：加熱時間・拡散・活性化・用途を比較
イオン注入のあとは、結晶の損傷を回復させ、不純物を格子位置に入れて電気的に働かせる(活性化する)ために、アニール(熱処理)を行います。ただし、高温に長くさらすほど不純物は拡散し、接合が深くなります。炉アニールは、多数のウエハを炉の中で数十分から数時間かけて加熱する方法です。RTA(急速熱アニール)は、ランプでウエハを1枚ずつ数秒程度だけ高温にする方法で、高温にほとんど保持しないスパイクアニールもこの仲間です。レーザーアニールやフラッシュランプアニールは、ウエハの表面付近だけをミリ秒以下の時間で加熱します。加熱時間が短いほど拡散を抑えられるため、トランジスタの微細化とともに、より短い時間の方法が使われるようになってきました。
| 項目 | 炉アニール | RTA・スパイクアニール | レーザー・フラッシュランプアニール |
|---|---|---|---|
| 加熱の時間 | 数十分〜数時間 | 数秒〜数十秒。スパイクアニールでは、最高温度の付近にいる時間が目安として1〜2秒程度 | ミリ秒以下。フラッシュランプは一般にミリ秒程度、レーザーは方式によってミリ秒〜ナノ秒 |
| 昇温・降温の速さ | 遅い。一般に毎分数℃〜十数℃程度 | 速い。一般に毎秒数十〜数百℃ | 表面だけが極めて速く昇温し、熱がウエハの内部へ逃げることで急に冷える |
| 処理の単位 | 多数のウエハをまとめて処理する(バッチ式) | 1枚ずつ処理する(枚葉式) | 1枚ずつ。フラッシュランプはウエハの全面を一度に、レーザーはビームを走査して加熱する |
| 加熱される範囲 | 炉の中のウエハ全体がほぼ均一な温度になる | ウエハの厚さ方向の全体がほぼ同じ温度になる | 表面付近の薄い層だけが最高温度になる。内部は低い温度(フラッシュランプでは予熱の温度)のままで、熱を逃がす役目をする |
| サーマルバジェット | 大きい | 中くらい。炉アニールよりはるかに小さい | 非常に小さい |
| 不純物の拡散 | 大きい。接合が深くなり、過渡増速拡散(TED)の影響も受けやすい | 抑えられる。浅い接合をつくれるが、拡散はある程度残る | ほとんど起こらない。注入したときの分布をほぼ保てる |
| 活性化 | その温度での固溶度が上限の目安。温度を上げると拡散も大きくなる | 高い温度にできるので、高い活性化が得られる | 非常に高い温度を短時間かけるので、高い活性化が得られる。平衡の固溶度を超える準安定な活性化もできるが、その後の熱処理で一部が不活性化しやすい |
| 結晶欠陥の回復 | 時間をかけるので回復させやすい | 多くの欠陥を回復できる | 時間が短いため、欠陥が残ることがある。スパイクアニールと組み合わせることが多い |
| 主な用途 | ウェルの押し込み拡散、膜の緻密化、比較的低温のフォーミングガスアニールなど。同じ形の炉は熱酸化やLPCVDにも使う | ソース・ドレインの活性化、シリサイドの形成、薄い酸化膜の形成や窒化 | 先端のロジックの浅いソース・ドレインやエクステンションの活性化(スパイクアニールと組み合わせる)、下の層を加熱したくない工程(IGBTの裏面など) |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。