Gloeien in de oven versus RTA versus laseranneal: tijdschaal, diffusie, activering en toepassingen
Na ionenimplantatie worden wafers gegloeid (annealing) om kristalschade te herstellen en doteringen op roosterplaatsen te brengen, zodat ze elektrisch actief worden (activering). Hoe langer de wafer heet blijft, hoe meer de doteringen echter diffunderen en hoe dieper de juncties worden. Bij een ovenanneal worden veel wafers samen tientallen minuten tot uren in een oven verhit. RTA (rapid thermal annealing) verhit één wafer tegelijk met lampen gedurende slechts enkele seconden, en de spike-anneal, die vrijwel niet op de piektemperatuur blijft, hoort tot dezelfde familie. Laser- en flitslampanneal verhitten alleen een dunne laag dicht bij het waferoppervlak, een milliseconde of korter. Korter verhitten betekent minder diffusie, dus naarmate transistors kleiner werden, zijn processen naar kortere anneals opgeschoven.
| Kenmerk | Ovenanneal | RTA / spike-anneal | Laser- / flitslampanneal |
|---|---|---|---|
| Verhittingstijd | Tientallen minuten tot uren | Seconden tot tientallen seconden; bij een spike-anneal is de tijd rond de piektemperatuur ruwweg 1 tot 2 seconden | Een milliseconde of korter: typisch rond een milliseconde bij flitslampen, en van milliseconden tot nanoseconden bij lasers, afhankelijk van de methode |
| Opwarmsnelheid | Langzaam, typisch enkele tot ruim tien °C per minuut | Snel, typisch tientallen tot honderden °C per seconde | Alleen het oppervlak warmt extreem snel op en koelt daarna snel af doordat de warmte de wafer in stroomt |
| Verwerkingseenheid | Veel wafers tegelijk (batch) | Eén wafer tegelijk (single wafer) | Eén wafer tegelijk; flitslampen verhitten het hele oppervlak in één keer, lasers scannen er een bundel overheen |
| Verhit gebied | Alle wafers in de oven bereiken een vrijwel uniforme temperatuur | De hele waferdikte bereikt vrijwel dezelfde temperatuur | Alleen een dunne laag dicht bij het oppervlak bereikt de piektemperatuur; de rest van de wafer blijft koeler (op de voorverwarmingstemperatuur bij flitslampen) en werkt als koellichaam |
| Thermisch budget | Groot | Gemiddeld, veel kleiner dan bij een ovenanneal | Zeer klein |
| Diffusie van doteringen | Groot; juncties worden dieper en transient enhanced diffusion (TED) heeft een sterk effect | Onderdrukt; ondiepe juncties zijn mogelijk, al blijft er wat diffusie | Vrijwel geen; het profiel zoals geïmplanteerd blijft grotendeels behouden |
| Activering | Ruwweg begrensd door de oplosbaarheid bij die temperatuur; een hogere temperatuur vergroot ook de diffusie | Hoge activering, omdat hoge temperaturen kunnen worden gebruikt | Hoge activering door zeer hoge temperatuur gedurende zeer korte tijd; metastabiele activering boven de evenwichtsoplosbaarheid is mogelijk, maar een deel ervan deactiveert vaak in latere thermische stappen |
| Herstel van kristaldefecten | Makkelijk te herstellen door de lange beschikbare tijd | Herstelt de meeste defecten | Defecten kunnen achterblijven omdat de tijd zo kort is; vaak gecombineerd met een spike-anneal |
| Typische toepassingen | Indrijven van wells, verdichten van lagen, forming-gas-anneals bij relatief lage temperatuur en vergelijkbaar; ovens van hetzelfde type worden ook gebruikt voor thermische oxidatie en LPCVD | Activering van source/drain, vorming van silicide, groei van dunne oxiden en nitridering | Activering van ondiepe source/drain- en extensiegebieden in geavanceerde logica (gecombineerd met spike-anneals) en stappen waarbij onderliggende lagen niet mogen worden verhit (zoals de achterzijde van IGBT's) |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.