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.

MerkmalOfen-AusheilenRTA / Spike-AnnealLaserannealing / Blitzlampenausheilung
HeizdauerZehn Minuten bis StundenSekunden bis zehn Sekunden; beim Spike-Anneal liegt die Zeit nahe der Spitzentemperatur bei grob 1 bis 2 SekundenEine Millisekunde oder weniger: typischerweise etwa eine Millisekunde bei Blitzlampen und je nach Verfahren Millisekunden bis Nanosekunden bei Lasern
RampenrateLangsam, typischerweise einige bis gut zehn °C pro MinuteSchnell, typischerweise zehn bis hundert °C pro SekundeNur die Oberfläche heizt sich extrem schnell auf und kühlt dann rasch ab, weil die Wärme in den Wafer abfließt
ProzesseinheitViele 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 BereichAlle Wafer im Ofen erreichen eine nahezu gleichmäßige TemperaturDie gesamte Waferdicke erreicht nahezu dieselbe TemperaturNur eine dünne Schicht nahe der Oberfläche erreicht die Spitzentemperatur; das Volumen bleibt kühler (bei Blitzlampen auf Vorheiztemperatur) und wirkt als Wärmesenke
Thermisches BudgetGroßMittel, weit kleiner als beim Ausheilen im OfenSehr klein
DotierstoffdiffusionGroß; die Übergänge werden tiefer, und Transient Enhanced Diffusion (TED) wirkt starkUnterdrückt; flache Übergänge sind möglich, etwas Diffusion bleibt jedochNahezu keine; das Implantationsprofil bleibt weitgehend erhalten
AktivierungGrob durch die Festkörperlöslichkeit bei dieser Temperatur begrenzt; eine höhere Temperatur erhöht auch die DiffusionHohe Aktivierung, da hohe Temperaturen nutzbar sindHohe 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 KristalldefektenDank der langen Zeit leicht zu behebenBehebt die meisten DefekteDefekte können wegen der sehr kurzen Zeit verbleiben; oft mit einem Spike-Anneal kombiniert
Typischer EinsatzEintreiben von Wannen, Verdichten von Schichten, Formiergas-Anneals bei relativ niedriger Temperatur und Ähnliches; Öfen derselben Bauart dienen auch der thermischen Oxidation und LPCVDAktivierung von Source/Drain, Silizidbildung, Wachstum und Nitridierung dünner OxideAktivierung 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.

Wann welche Variante?

Ofen-Ausheilen
Geeignet, wenn Dotierstoffe gut diffundieren sollen, etwa beim Bilden tiefer Wannen, und wenn viele Wafer langsam und gleichmäßig zu prozessieren sind. Für die Aktivierung flacher Übergänge wird es wegen zu starker Diffusion nicht mehr verwendet.
RTA / Spike-Anneal
Die Standardmethode für die Source/Drain-Aktivierung. Aktiviert Dotierstoffe bei hoher Temperatur und hält die Heizdauer im Sekundenbereich, um die Diffusion zu begrenzen. Wird auch für die Silizidbildung genutzt.
Laserannealing / Blitzlampenausheilung
In fortgeschrittenen Transistoren, deren Übergänge sehr flach bleiben müssen, um Dotierstoffe nahezu ohne Diffusion zu aktivieren. Da nur die Oberfläche erhitzt wird, passt es auch zu Schritten, bei denen tiefere Schichten oder Rückseitenstrukturen nicht geschädigt werden dürfen.

Häufige Fragen

Was ist ein thermisches Budget?

Eine Art, die Wärmemenge, die ein Wafer erhält, als Kombination aus Temperatur und Zeit auszudrücken. Die Diffusionslänge eines Dotierstoffs ist grob die Quadratwurzel aus Diffusionskoeffizient mal Zeit (√(Dt)), und der Diffusionskoeffizient wächst exponentiell mit der Temperatur. Die Diffusion ist also bei gleicher Temperatur und kürzerer Zeit oder bei gleicher Zeit und niedrigerer Temperatur geringer.

Sind RTA und RTP dasselbe?

RTP (Rapid Thermal Processing) ist der Oberbegriff für das kurzzeitige Erhitzen einzelner Wafer mit Lampen oder ähnlichen Quellen. Dient es dem Ausheilen, etwa der Aktivierung nach der Ionenimplantation, heißt es RTA (Rapid Thermal Annealing). Das Wachstum eines dünnen Oxids in einer Anlage derselben Art heißt RTO.

Wie unterscheidet sich ein Spike-Anneal von einem normalen RTA?

Ein normales RTA hält die Spitzentemperatur Sekunden bis zehn Sekunden lang, während ein Spike-Anneal fast ohne Haltezeit abzukühlen beginnt, sobald die Spitze erreicht ist. Er aktiviert Dotierstoffe bei hoher Temperatur und verkürzt die Zeit im heißen Zustand, um die Diffusion zu begrenzen.

Warum nicht nur Laserannealing verwenden?

Weil die Heizdauer so kurz ist, dass Implantationsschäden möglicherweise nicht vollständig behoben werden, und Dotierstoffe, die über die Gleichgewichtslöslichkeit hinaus aktiviert wurden, sich in späteren Wärmeschritten teilweise leicht deaktivieren. Zudem hängt die Lichtabsorption vom Muster ab, sodass die Temperatur von Ort zu Ort schwanken kann. Daher wird es mit Spike-Anneals kombiniert und mit Grenzen für die Temperatur späterer Schritte eingesetzt.

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Was ist der Hauptzweck des Ausheilens (Temperns) nach der Ionenimplantation?

  1. ADie implantierten Dotierstoffe zu verdampfen und zu entfernen
  2. BKristalldefekte auszuheilen und die Dotierstoffe auf Gitterplätzen zu positionieren, um sie elektrisch zu aktivieren
  3. CAuf der Waferoberfläche einen dicken Oxidfilm aufwachsen zu lassen
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Antwort: B. Kristalldefekte auszuheilen und die Dotierstoffe auf Gitterplätzen zu positionieren, um sie elektrisch zu aktivieren

Implantierte Ionen stören den Siliziumkristall, und die meisten verbleiben auf Zwischengitterplätzen, an denen sie nicht als Donator oder Akzeptor wirken, sodass sie unmittelbar nach der Implantation elektrisch kaum wirksam sind. Beim Ausheilen werden die Kristallschäden repariert und die Dotierstoffe auf Gitterplätze gebracht und aktiviert. Damit die Dotierstoffe nicht zu weit diffundieren, werden RTA (Aufheizen mit Lampen für einige Sekunden) sowie Blitzlampen- und Laserausheilen im Millisekundenbereich und darunter eingesetzt.

Welche Aussage zum Laserausheilen ist korrekt?

  1. AEs erwärmt den gesamten Wafer lange gleichmäßig
  2. BEs erwärmt langsam bei niedriger Temperatur
  3. CEs kann nur die oberflächennahe Schicht für extrem kurze Zeit erwärmen und erreicht bei unterdrückter Diffusion hohe Aktivierung
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Antwort: C. Es kann nur die oberflächennahe Schicht für extrem kurze Zeit erwärmen und erreicht bei unterdrückter Diffusion hohe Aktivierung

Beim Laserausheilen wird mit Laserlicht nur der oberflächennahe Bereich für extrem kurze Zeit im Mikro- bis Nanosekundenbereich auf über 1000 ℃ (je nach Bedingungen nahe dem Schmelzpunkt) gebracht. Da hohe Aktivierung erreicht wird, bevor die Dotierstoffe nennenswert diffundieren, lassen sich flache Übergänge mit niedrigem Widerstand herstellen. Weil die Wärme nicht tief eindringt, wird es auch bei Prozessen eingesetzt, bei denen darunterliegende Schichten nicht geschädigt werden sollen, etwa bei der Bildung der Rückseitenschicht von IGBTs oder von Transistoren in oberen gestapelten Lagen.

Wie heißt die Wärmebehandlung, bei der Wafer einzeln mit Lampen o. Ä. in kurzer Zeit von einigen Sekunden auf hohe Temperatur erhitzt werden?

  1. ABatch-Ofen-Tempern
  2. BRTP (Rapid Thermal Processing, schnelle thermische Behandlung)
  3. CCMP
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Antwort: B. RTP (Rapid Thermal Processing, schnelle thermische Behandlung)

RTP ist eine Wärmebehandlung, bei der Wafer mit Halogenlampen o. Ä. mit einigen zehn bis einigen hundert °C pro Sekunde erhitzt und abgekühlt werden und nur wenige Sekunden Temperaturen über 1000 °C ausgesetzt sind. Da die Zeit bei hoher Temperatur kurz ist, lassen sich nach der Implantation das Aktivierungstempern und die Bildung dünner Oxide bei gleichzeitig unterdrückter Diffusion von Störstellen ausführen. Auch Blitzlampentempern und Lasertempern, bei denen die Heizzeit auf Millisekunden oder weniger verkürzt ist, werden zur Bildung flacher Übergänge in fortgeschrittenen Prozessen eingesetzt.

  1. Wie heißt das Phänomen, bei dem im frühen Stadium des Ausheilens nach der Ionenimplantation die Diffusion von Bor u. a. durch die bei der Implantation entstandenen Silizium-Zwischengitteratome vorübergehend beschleunigt ist?
  2. Welche Eigenschaft bestimmt die Obergrenze der Konzentration, die sich beim Ausheilen elektrisch aktivieren lässt?
  3. Welche Aussage zum Zusammenhang zwischen dem Diffusionskoeffizienten von Störstellen in Silizium und der Temperatur ist richtig?

Übungsfragen zu Ionenimplantation

Wichtige Begriffe erklärt

Ausheilen (Annealing)
Wärmebehandlung. Wird u. a. zum Ausheilen von Kristalldefekten nach der Ionenimplantation und zur Aktivierung von Dotierstoffen eingesetzt.
RTP (schnelle thermische Behandlung)
Wärmebehandlung, bei der Wafer einzeln z. B. mit Lampen innerhalb weniger Sekunden auf hohe Temperatur erhitzt werden. Ausheilen und Bildung dünner Oxide sind möglich, während unerwünschte Dotierstoffdiffusion unterdrückt wird.
Spike-Anneal
Wärmebehandlung, bei der der Wafer schnell auf hohe Temperatur gebracht und praktisch ohne Haltezeit sofort wieder abgekühlt wird. Aktiviert Dotierstoffe bei geringer Diffusion; zur Bildung flacher Übergänge.
Laserannealing
Wärmebehandlung, bei der nur der oberflächennahe Bereich des Wafers durch Laserlicht für extrem kurze Zeit erhitzt wird. Sie ergibt hohe Aktivierung bei kaum Diffusion.
Transient Enhanced Diffusion (TED)
Phänomen, bei dem zu Beginn des Ausheilens nach der Ionenimplantation die Diffusion von Bor u. Ä. wegen überschüssiger Silizium-Zwischengitteratome vorübergehend beschleunigt ist. Erschwert die Herstellung flacher Übergänge.
Löslichkeit (Festkörperlöslichkeit)
Maximale Konzentration einer Verunreinigung, die sich bei einer bestimmten Temperatur im Kristall lösen kann. Sie legt die Obergrenze der elektrisch aktivierbaren Dotierstoffkonzentration fest.
Ionenimplantation
Verfahren, bei dem Dotierstoffe ionisiert, beschleunigt und in den Wafer geschossen werden. Dosis und Tiefe lassen sich präzise steuern.

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