レーザーアニール

半導体製造において、シリコンウェーハの品質を高めるためにアニール処理（回復熱処理）という工程がありますが、それをレーザーによって行う方法を「レーザーアニール」と呼びます。ここではレーザーアニールの基本を把握しておきましょう。

レーザーアニールとは

レーザーアニールとは、半導体製造におけるシリコンウェーハの回復熱処理（アニール処理）を、レーザーを用いて行う方法および技術です。

アニール処理はシリコンウェーハの品質を高めるために行われる処理であり、高速イオン注入によってSi結晶構造が崩れて非晶質化した際、シリコンウェーハを加熱して原子を再配列させ、再び結晶構造を安定化させる工程です。

高速イオン注入の衝撃でシリコンウェーハの結晶構造が不安定になった状態では半導体デバイスの性能が低下するため、アニール処理を適切に行うことが半導体製造工程で欠かせません。

レーザーアニールのメリット

アニール処理としてシリコンウェーハを加熱する方法には、バッチ式と枚葉式RTA、そしてレーザーアニールの3つがあります。ここでは、特にレーザーアニールのメリットについてまとめました。

ウェーハ表面だけをアニール処理可能

レーザーアニールは紫外線レーザーをシリコンウェーハに照射し、レーザーが当たったウェーハの表面を加熱してアニール処理する方法です。

ウェーハの表面だけに熱作用を及ぼすことができ、デバイス構造そのものを破壊したり、熱影響を与えたりすることがありません。

レーザー波長によって侵入深さを制御できる

レーザーアニールのメリットとして、紫外線レーザーの波長をコントロールすることで侵入深さを制御できることも重要です。これにより、表面を含めてどの程度の深さまで処理するかを調節できます。

任意のポイントのみをアニール処理できる

レーザーを照射するポイントを任意に調節できるため、デバイスの構造や工程の段階に合わせて処理することが可能です。

レーザーアニール以外の半導体の熱処理

バッチ式熱処理（ヒーターを用いる熱処理）

バッチ式熱処理は炉（ヒーター）を使ってアニール処理を行う方法です。ヒーター内に複数枚のウェーハをまとめて入れて加熱できるため、一度に大量のウェーハを同時に処理できることが特徴です。

大量生産に対応したバッチ式熱処理ですが、ヒーター内にウェーハを設置する時間がかかる上、ヒーターの容量が大きくなると加熱処理などに時間がかかるなど、時間的なデメリットがあります。

また、加熱に時間がかかることで熱拡散が生じ、不純物領域の分布に悪影響を及ぼすことがあります。

ヒーターには縦型炉と横型炉があり、現在は高速昇温方式を採用した縦型炉が一般的です。

枚葉式熱処理（赤外線ランプを用いる熱処理）

枚葉式熱処理は赤外線ランプを熱源とし、シリコンウェーハを1枚ずつ加熱処理する方法です。

シリコンの吸収効率が高い赤外線ランプを使用するため、短時間で熱処理に必要な高温状態へ導くことが可能であり、アニール処理による不純物分布が崩れることもありません。また、短時間処理を連続的に行うことで、複数のウェーハを処理する際にもスムーズな作業を実現でき、特に少量・多品種の半導体製造やサンプル製造などに適しています。

現代の製造現場における微細化ニーズに対しては、バッチ式熱処理よりも枚葉式熱処理が適しています。