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レーザー熱アニールとは

THEME 03 トランジスタ形成 · 不純物と熱の作り込みLaser Thermal Annealing
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レーザー熱アニール（LTA）とは、レーザー光を照射してウェーハの表面を局部的に極短時間だけ加熱し、不純物を活性化する技術です。 表面だけを温め、下の層は冷たいままに保ちます。代わりに、加熱が短すぎて温度を直接測れず、面内の温度差は走査と表面の状態で決まります。この技術の勝負どころは、測れない温度をどこまで均一にそろえられるかです。

照射が短いほど、熱は表面に留まる

Section titled “照射が短いほど、熱は表面に留まる”

ウェーハ全体を温めれば確実に活性化しますが、そのたびに下の層の不純物まで動くので、工程を重ねるほど分布が崩れていきます。レーザー熱アニールは、レーザー光を照射しウェーハの表面を局部的に極短時間熱処理し、不純物活性化を行う技術です1。温まる深さは、光を吸う距離と熱が伝わる時間で決まり、照射が短いほど熱が下へ広がる前に照射が終わります。

下の層が冷たいままなら、すでに入っている不純物の分布もその場に留まります。工程を重ねても、前の工程の結果が保たれます。

加熱時間を桁で縮めるほど、温まる範囲が浅くなる

Section titled “加熱時間を桁で縮めるほど、温まる範囲が浅くなる”
熱処理の方式と加熱時間
ナノ秒マイクロ秒ミリ秒秒時間加熱時間（対数）ナノ秒レーザーミリ秒レーザースパイクアニール 1秒未満RTP 数秒電気炉 数十分
電気炉は数十分、RTPは数秒、スパイクアニールは1秒未満で、レーザーはミリ秒からナノ秒まで桁で短くなります。時間が短いほど、熱は表面に近い層に留まります。

電気炉は数十分かけて炉ごと温めるので、深くまで熱が届きます。ランプで数秒加熱するRTPでは、ウェーハ全体が温まります。スパイクアニールは1秒未満の急速加熱で、昇温速度と降温速度の例として300℃/s〜100℃/sが報告されています1。最高温度に達したらすぐに冷やします。

レーザーはさらに短く、照らした表面だけを温めます。加熱時間が短いほど、温まる範囲は浅くなります。同じレーザーでも、ミリ秒の加熱とナノ秒の加熱は別の方式として扱われます。

ミリ秒は融点の手前で止め、ナノ秒は表層を溶かす

Section titled “ミリ秒は融点の手前で止め、ナノ秒は表層を溶かす”
温まる範囲の違い
RTPミリ秒レーザーナノ秒レーザーランプでウェーハ全体表面だけ融点の手前表層だけ溶ける高温の固体溶けた層低温のまま
RTPはウェーハ全体を温めます。ミリ秒のレーザーは表面の層を融点のすぐ下まで加熱し、ナノ秒のレーザーは表層だけを融点より上に上げます。どちらも下の層は低温のまま残ります。

Veecoは、ミリ秒のレーザーアニールをSiの融点のすぐ下まで加熱する方式、ナノ秒の方式を融点を超える方式と区別しています。ナノ秒の側では、SCREENグループのLASSEが先端半導体の製造に使うナノ秒レーザーアニール装置を開発・製造しており2、SCREENは、LT-3100のナノ秒UVレーザーアニールが、先端の材料と構造の改善と作り込みの鍵になる高温・超高速の熱処理を可能にするとしています。

ディスプレイ向けでは、Coherentがラインビーム装置の資料で、スマートフォンやタブレットの差別化要因として、高精細で省電力なLTPS（低温多結晶Si）バックプレーンの需要が伸びているとしています3。

走査の重なりと表面の状態が、面内の温度差になる

Section titled “走査の重なりと表面の状態が、面内の温度差になる”

レーザーは走査しながら面を埋めていくので、重なり方と速度がそのまま結果を左右します。表面の状態も温度を左右します。膜の有無や下地のパターンで光の吸い方が変わり、同じ照射でも場所によって温度が異なります。

面内をそろえる均一温度制御技術は、複数の温度制御の動作を協調させ、過渡状態でも均一の状態を保つ制御技術です4。

極短時間の加熱では、温度を測らずに推定する

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バーチャルセンサによる温度推定
反応室レーザーウェーハ近傍温度シミュレーション推定温度プロセス中なら照射へ戻す処理後なら次の1枚へ
ウェーハ温度の代わりに反応室の近くの温度を測り、シミュレーションでウェーハ温度を推定します。プロセス中に推定できれば実時間制御に使え、処理後だと反映は次の1枚からになります。

熱電対のような接触式の測り方は、極短時間で済む加熱に対して応答が遅すぎます。バーチャルセンサ（Virtual Sensor）は、ウェーハ温度を直接測る代わりに反応室近傍の温度を測り、シミュレーションでウェーハ温度を推定します4。

実時間制御に使う場合、測るタイミングはプロセス中が望ましいとされます。処理が終わってから測る方法では、結果を反映できるのは次の1枚からです。

よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
レーザー熱アニールとは何ですか？

レーザー光を照射してウェーハの表面を局部的に極短時間だけ熱処理し、不純物を活性化する技術です。下の層は冷たいまま残ります。

なぜ表面だけなのですか？

温まる深さは、光を吸う深さと熱が伝わる時間で決まります。照射が短いほど、熱が下へ届く前に照射が済みます。

RTP とは何が異なりますか？

RTPはランプでウェーハ全体を温めます。レーザー熱アニールは、照らした表面のごく薄い層だけを温めます。

何が守られるのですか？

下の層の構造と、すでに入っている不純物の分布です。熱が届く前に照射が済めば、どちらもその場に留まります。

不純物は活性化しますか？

はい。不純物の活性化を行う技術です。加熱が短くても、高い温度に達すれば不純物は格子位置に収まります。

難しいのはどこですか？

面内を同じ条件にすることです。走査の重なり方と、膜や下地パターンによる光の吸い方の違いが、そのまま温度のばらつきになります。

温度はどう見積もりますか？

ウェーハ温度を直接測る代わりに反応室の近くの温度を測り、シミュレーションでウェーハ温度を推定します。この方法をバーチャルセンサと呼びます。

比較・違いを学ぶ

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関連用語

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出典

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