Français
Menu

Recuit en four vs RTA vs recuit laser : échelle de temps, diffusion, activation, usages

Après l’implantation ionique, les plaquettes sont recuites pour réparer les dommages cristallins et placer les dopants sur des sites du réseau afin qu’ils deviennent électriquement actifs (activation). Mais plus la plaquette reste chaude longtemps, plus les dopants diffusent et plus les jonctions deviennent profondes. Le recuit en four chauffe de nombreuses plaquettes ensemble dans un four pendant des dizaines de minutes à des heures. Le RTA (recuit thermique rapide) chauffe une plaquette à la fois avec des lampes pendant quelques secondes seulement, et le recuit spike, qui ne maintient presque pas la température de pic, appartient à la même famille. Le recuit laser et le recuit par lampe flash ne chauffent qu’une fine couche près de la surface de la plaquette, pendant une milliseconde ou moins. Un chauffage plus court signifie moins de diffusion : avec la miniaturisation des transistors, les procédés se sont donc orientés vers des recuits de plus en plus courts.

CritèreRecuit en fourRTA / recuit spike (spike anneal)Recuit laser / par lampe flash
Durée de chauffageDes dizaines de minutes à des heuresDes secondes à des dizaines de secondes ; dans un recuit spike, le temps passé près de la température de pic est d’environ 1 à 2 secondesUne milliseconde ou moins : typiquement de l’ordre d’une milliseconde pour les lampes flash, et de quelques millisecondes à quelques nanosecondes pour les lasers, selon la méthode
Vitesse de montée en températureLente, typiquement de quelques °C à une quinzaine de °C par minuteRapide, typiquement des dizaines à des centaines de °C par secondeSeule la surface chauffe extrêmement vite, puis se refroidit rapidement à mesure que la chaleur diffuse dans la plaquette
Unité de traitementDe nombreuses plaquettes à la fois (par lots)Une plaquette à la fois (monoplaquette)Une plaquette à la fois ; les lampes flash chauffent toute la surface d’un coup, les lasers la balaient avec un faisceau
Zone chaufféeToutes les plaquettes du four atteignent une température presque uniformeToute l’épaisseur de la plaquette atteint à peu près la même températureSeule une fine couche proche de la surface atteint la température de pic ; le volume reste plus froid (à la température de préchauffage pour les lampes flash) et sert de dissipateur thermique
Budget thermiqueÉlevéModéré, bien inférieur à celui d’un recuit en fourTrès faible
Diffusion des dopantsImportante ; les jonctions s’approfondissent et la diffusion accélérée transitoire (TED) a un effet marquéLimitée ; des jonctions peu profondes sont possibles, mais une certaine diffusion subsisteQuasi nulle ; le profil tel qu’implanté est largement préservé
ActivationPlafonnée à peu près par la solubilité limite à cette température ; élever la température augmente aussi la diffusionActivation élevée, car on peut utiliser des températures élevéesActivation élevée grâce à une température très élevée pendant un temps très court ; une activation métastable au-delà de la solubilité limite d’équilibre est possible, mais une partie tend à se désactiver lors des étapes thermiques ultérieures
Réparation des défauts cristallinsRéparation facile grâce au temps disponibleRépare la plupart des défautsDes défauts peuvent subsister car le temps est très court ; souvent combiné à un recuit spike
Usages typiquesDiffusion des caissons, densification de couches, recuits sous gaz de formage à température relativement basse, etc. ; des fours du même type servent aussi à l’oxydation thermique et à la LPCVDActivation des source/drain, formation de siliciures, croissance d’oxydes minces et nitrurationActivation des source/drain et extensions peu profondes en logique avancée (combinée à des recuits spike), et étapes où les couches inférieures ne doivent pas être chauffées (comme la face arrière des IGBT)

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Recuit en four
Convient lorsque les dopants doivent bien diffuser, comme pour former des caissons profonds, et lorsque de nombreuses plaquettes doivent être traitées lentement et uniformément. Il n’est plus utilisé pour activer les jonctions peu profondes, car il provoque trop de diffusion.
RTA / recuit spike (spike anneal)
La méthode standard pour l’activation des source/drain. Il active les dopants à haute température tout en limitant la durée de chauffage à quelques secondes pour réduire la diffusion. Il sert aussi à la formation des siliciures.
Recuit laser / par lampe flash
Utilisé dans les transistors avancés qui doivent conserver des jonctions très peu profondes, pour activer les dopants presque sans diffusion. Comme il ne chauffe que la surface, il convient aussi aux étapes où les couches inférieures ou les structures en face arrière ne doivent pas être endommagées.

Questions fréquentes

Qu’est-ce que le budget thermique ?

Une façon d’exprimer la quantité de chaleur reçue par une plaquette comme une combinaison de température et de temps. La distance de diffusion d’un dopant vaut environ la racine carrée du coefficient de diffusion multiplié par le temps (√(Dt)), et le coefficient de diffusion croît exponentiellement avec la température. La diffusion est donc plus faible pour un temps plus court à même température, ou pour une température plus basse pendant le même temps.

RTA et RTP, est-ce la même chose ?

Le RTP (traitement thermique rapide) est le terme général désignant le chauffage bref d’une plaquette à la fois par des lampes ou des sources similaires. Lorsque le but est un recuit, comme l’activation après implantation ionique, on parle de RTA (recuit thermique rapide). La croissance d’un oxyde mince dans le même type d’équipement s’appelle RTO.

En quoi un recuit spike diffère-t-il d’un RTA classique ?

Un RTA classique maintient la température de pic pendant des secondes à des dizaines de secondes, tandis qu’un recuit spike commence à refroidir dès que le pic est atteint, presque sans palier. Il active les dopants à haute température tout en raccourcissant le temps passé à chaud, pour limiter la diffusion.

Pourquoi ne pas utiliser uniquement le recuit laser ?

Parce que la durée de chauffage est si courte que les dommages d’implantation peuvent ne pas être entièrement réparés, et que les dopants activés au-delà de la solubilité limite d’équilibre tendent à se désactiver en partie lors des étapes thermiques ultérieures. L’absorption de la lumière varie aussi selon les motifs, si bien que la température peut varier d’un endroit à l’autre. Pour ces raisons, on le combine à des recuits spike et on l’utilise en limitant la température des étapes suivantes.

Vérifier vos connaissances

Quel est le principal objectif du recuit (traitement thermique) après implantation ionique ?

  1. AÉvaporer et éliminer les impuretés implantées
  2. BRéparer les défauts cristallins et placer les impuretés en sites substitutionnels pour les activer électriquement
  3. CFaire croître un oxyde épais à la surface du wafer
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. Réparer les défauts cristallins et placer les impuretés en sites substitutionnels pour les activer électriquement

Les ions implantés désorganisent le cristal de silicium, et la plupart restent en positions interstitielles où ils n'agissent ni comme donneurs ni comme accepteurs ; juste après l'implantation, ils sont donc presque inactifs électriquement. Le recuit répare les dommages cristallins et place les impuretés en sites substitutionnels pour les activer. Pour éviter une diffusion excessive des impuretés, on utilise le RTA, qui chauffe par lampes pendant quelques secondes, ou les recuits flash ou laser d'une milliseconde ou moins.

Quelle caractéristique du recuit laser est correcte ?

  1. AIl chauffe uniformément l'ensemble du wafer pendant une longue durée
  2. BIl chauffe lentement à basse température
  3. CIl ne chauffe que la région proche de la surface du wafer pendant une durée extrêmement courte, ce qui donne une activation élevée tout en limitant la diffusion
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Il ne chauffe que la région proche de la surface du wafer pendant une durée extrêmement courte, ce qui donne une activation élevée tout en limitant la diffusion

Le recuit laser porte uniquement la région proche de la surface à plus de 1000 °C (voire près du point de fusion selon les conditions) pendant une durée extrêmement courte, de l'ordre de la microseconde à la nanoseconde. Une activation élevée est obtenue avant que les impuretés aient le temps de diffuser, ce qui permet de réaliser des jonctions peu profondes et peu résistives. La chaleur n'atteignant pas les profondeurs, il sert aussi aux étapes où l'on ne veut pas endommager les couches inférieures, comme la formation de la couche arrière des IGBT ou la fabrication de transistors dans une couche supérieure empilée.

Comment s’appelle le traitement thermique qui chauffe les plaquettes une par une à haute température, par exemple avec des lampes, pendant quelques secondes seulement ?

  1. ARecuit en four discontinu
  2. BRTP (traitement thermique rapide)
  3. CCMP
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. RTP (traitement thermique rapide)

Le RTP chauffe et refroidit la plaquette avec des lampes halogènes, etc., à des vitesses de quelques dizaines à quelques centaines de ℃ par seconde, et ne l’expose que quelques secondes à plus de 1000 ℃. La brièveté du séjour à haute température permet d’effectuer le recuit d’activation après implantation ou de former des oxydes minces tout en limitant la diffusion des dopants. Le recuit par lampe flash et le recuit laser, qui ramènent la durée de chauffe à la milliseconde ou moins, servent aussi à former les jonctions peu profondes avancées.

  1. Comment appelle-t-on le phénomène par lequel, au début du recuit après implantation, la diffusion du bore notamment s'accélère temporairement sous l'effet du silicium interstitiel créé par l'implantation ?
  2. Lors de l'activation des dopants par recuit, quelle propriété fixe la limite supérieure de la concentration électriquement activable ?
  3. Quelle est la relation entre le coefficient de diffusion des dopants dans le silicium et la température ?

Questions d'entraînement sur Implantation ionique

Termes clés expliqués

Recuit
Traitement thermique. Utilisé notamment pour guérir les défauts cristallins après implantation ionique et pour activer les dopants.
RTP (recuit thermique rapide)
Traitement thermique qui chauffe les plaquettes une par une, par exemple avec des lampes, à haute température pendant quelques secondes. Permet le recuit ou la formation d'oxydes minces tout en limitant la diffusion excessive des dopants.
Recuit flash (spike anneal)
Recuit qui porte rapidement la plaquette à haute température et la refroidit aussitôt, presque sans palier. Il active les dopants en limitant leur diffusion ; utilisé pour former des jonctions peu profondes.
Recuit laser
Traitement thermique qui chauffe uniquement la surface de la plaquette pendant un temps extrêmement court à l'aide d'un laser. On obtient une forte activation presque sans diffusion.
Diffusion accélérée transitoire (TED)
Au début du recuit après implantation, accélération temporaire de la diffusion du bore, etc., due à l'excès de silicium interstitiel créé par l'implantation. Elle gêne la formation de jonctions peu profondes.
Solubilité limite
Concentration maximale d'impuretés pouvant se dissoudre dans un cristal à une température donnée. Elle fixe la limite supérieure de la concentration de dopants électriquement activables.
Implantation ionique
Technique consistant à ioniser des impuretés, à les accélérer et à les implanter dans la plaquette. La dose et la profondeur peuvent être contrôlées avec précision.

Comparatifs associés