Ofen-Ausheilen vs. RTA vs. Laserannealing: Zeit, Diffusion, Aktivierung, Einsatz
Nach der Ionenimplantation werden Wafer ausgeheilt, um Kristallschäden zu beheben und Dotierstoffe auf Gitterplätze zu bringen, damit sie elektrisch aktiv werden (Aktivierung). Je länger der Wafer heiß bleibt, desto stärker diffundieren die Dotierstoffe jedoch und desto tiefer werden die Übergänge. Beim Ausheilen im Ofen werden viele Wafer gemeinsam zehn Minuten bis Stunden lang in einem Ofen erhitzt. RTA (Rapid Thermal Annealing) heizt einen Wafer nach dem anderen nur wenige Sekunden lang mit Lampen, und der Spike-Anneal, der die Spitzentemperatur kaum hält, gehört zur selben Familie. Laser- und Blitzlampenausheilung erhitzen nur eine dünne Schicht nahe der Waferoberfläche für eine Millisekunde oder weniger. Kürzeres Heizen bedeutet weniger Diffusion, daher sind die Prozesse mit kleiner werdenden Transistoren zu immer kürzeren Ausheilschritten übergegangen.
| Merkmal | Ofen-Ausheilen | RTA / Spike-Anneal | Laserannealing / Blitzlampenausheilung |
|---|---|---|---|
| Heizdauer | Zehn Minuten bis Stunden | Sekunden bis zehn Sekunden; beim Spike-Anneal liegt die Zeit nahe der Spitzentemperatur bei grob 1 bis 2 Sekunden | Eine Millisekunde oder weniger: typischerweise etwa eine Millisekunde bei Blitzlampen und je nach Verfahren Millisekunden bis Nanosekunden bei Lasern |
| Rampenrate | Langsam, typischerweise einige bis gut zehn °C pro Minute | Schnell, typischerweise zehn bis hundert °C pro Sekunde | Nur die Oberfläche heizt sich extrem schnell auf und kühlt dann rasch ab, weil die Wärme in den Wafer abfließt |
| Prozesseinheit | Viele Wafer gleichzeitig (Batch) | Ein Wafer nach dem anderen (Einzelwafer) | Ein Wafer nach dem anderen; Blitzlampen erhitzen die ganze Oberfläche auf einmal, Laser rastern einen Strahl darüber |
| Erwärmter Bereich | Alle Wafer im Ofen erreichen eine nahezu gleichmäßige Temperatur | Die gesamte Waferdicke erreicht nahezu dieselbe Temperatur | Nur eine dünne Schicht nahe der Oberfläche erreicht die Spitzentemperatur; das Volumen bleibt kühler (bei Blitzlampen auf Vorheiztemperatur) und wirkt als Wärmesenke |
| Thermisches Budget | Groß | Mittel, weit kleiner als beim Ausheilen im Ofen | Sehr klein |
| Dotierstoffdiffusion | Groß; die Übergänge werden tiefer, und Transient Enhanced Diffusion (TED) wirkt stark | Unterdrückt; flache Übergänge sind möglich, etwas Diffusion bleibt jedoch | Nahezu keine; das Implantationsprofil bleibt weitgehend erhalten |
| Aktivierung | Grob durch die Festkörperlöslichkeit bei dieser Temperatur begrenzt; eine höhere Temperatur erhöht auch die Diffusion | Hohe Aktivierung, da hohe Temperaturen nutzbar sind | Hohe Aktivierung durch sehr hohe Temperatur für sehr kurze Zeit; metastabile Aktivierung über der Gleichgewichtslöslichkeit ist möglich, ein Teil deaktiviert sich aber leicht in späteren Wärmeschritten |
| Ausheilen von Kristalldefekten | Dank der langen Zeit leicht zu beheben | Behebt die meisten Defekte | Defekte können wegen der sehr kurzen Zeit verbleiben; oft mit einem Spike-Anneal kombiniert |
| Typischer Einsatz | Eintreiben von Wannen, Verdichten von Schichten, Formiergas-Anneals bei relativ niedriger Temperatur und Ähnliches; Öfen derselben Bauart dienen auch der thermischen Oxidation und LPCVD | Aktivierung von Source/Drain, Silizidbildung, Wachstum und Nitridierung dünner Oxide | Aktivierung flacher Source/Drain- und Extension-Gebiete in fortgeschrittener Logik (kombiniert mit Spike-Anneals) sowie Schritte, bei denen tiefere Schichten nicht erhitzt werden dürfen (etwa die Rückseite von IGBTs) |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.