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熱処理（半導体製造）とは

THEME 03 トランジスタ形成 · イオン注入・熱処理Thermal Treatment
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熱処理とは、ウェーハへ熱を加えて、結晶の損傷を回復させ、打ち込んだ不純物を電気的に働く状態へ変え、膜の質を整える工程の総称です。 アニールとも呼ばれます。

熱処理が働くのは、原子が動けるようになるからです。ただし動くのは直したい原子だけではありません。温度を上げれば活性化は進みますが、ドーパントは深く拡散し、熱は別の結晶欠陥も生みます。炉で多数枚を長く保つか、RTPで1枚を短時間で処理するかで与える熱の総量が変わり、選択はいつもその引き換えになります。

熱で原子が動き、乱れた格子が組み直される

Section titled “熱で原子が動き、乱れた格子が組み直される”

常温では、結晶格子の中の原子はほとんど止まったままです。イオン注入の直後は格子が乱れ、打ち込んだ原子も格子点以外の場所にとどまります。注入したイオンをドナーやアクセプタとして働かせるには、注入原子を格子位置に入れる必要があります1。温度を上げると原子が動けるようになり、格子が組み直され、不純物が本来の位置へ入ります。注入原子を格子位置に入れると同時に、発生した格子間原子や空孔を回復させる熱処理が活性化アニールです。

乱れの量は大きく、イオン1個の注入で空孔と格子間原子が数100個から数万個発生し、これらが格子原子とペアを組んで非常に速い速さで拡散します2。高濃度で注入した領域は結晶性がくずれてアモルファス化します。この場合は、活性化アニールでアモルファスと単結晶の界面から固相成長して結晶化すると同時に、ドーパントを格子位置へ入れます1。この再結晶は固相エピタキシャル成長と同じ動きです。

アモルファス層の再結晶
注入直後アニール中アニール後アモルファス層単結晶固相成長単結晶再結晶した層単結晶EOR欠陥破線＝元の界面
高濃度注入でアモルファス化した層は、アニールで単結晶との界面から上へ固相成長し、ドーパントを格子位置へ取り込みながら再結晶します。元の界面、つまり注入の飛程より少し深い位置には、EOR欠陥が残ることがあります。

同じ原理が、注入で乱れた結晶の回復、不純物を電気的に働かせる活性化、成膜した膜の緻密化と応力の調整、金属とシリコンを反応させるサリサイドのような化合物の形成に使われます。そのため熱処理は特定の1工程に限らず、前工程のあちこちに入ります。

同じ熱が、二次欠陥と接合リークも生む

Section titled “同じ熱が、二次欠陥と接合リークも生む”

熱は欠陥を直すだけではありません。イオン注入後の熱処理で発生する結晶欠陥には、過剰な格子間原子による転位ループや、酸素誘起積層欠陥（OSF）があります3。アモルファス層があった場合には、注入の飛程より少し深い界面にEOR欠陥が発生し、二次欠陥がキャリアの生成再結合中心となって接合のリーク電流を招きます。回復と生成が同じ温度履歴の上で進むため、活性化率と接合リークの2つを対にして条件を選びます。

温度を上げれば活性化率は上がるが、ドーパントも深く拡散する

Section titled “温度を上げれば活性化率は上がるが、ドーパントも深く拡散する”

活性化アニールの温度が高いほどドーパントが活性化する割合（活性化率）は高くなりますが、同時にドーパントが深さ方向に拡散します1。ここが熱処理の中心にある引き換えです。浅い接合を保ったまま活性化率を上げたい先端デバイスでは、拡散抑制と活性化を両立させるために、高温でm秒程度の短時間の熱処理が使われます1。加熱の時間は、炉から秒、ミリ秒へと桁ごとに縮んできました（ミリ秒アニール）。

温度履歴の形
炉　ゆっくり昇温し長く保持面積＝与えた熱の総量RTPミリ秒アニール（高温）温度時間
曲線の下の面積が、与えた熱の総量にあたります。炉は面積が大きく、RTPとミリ秒アニールは高い温度でも面積を小さく抑えられるので、既にある構造をそのまま保ちたい工程順ではこちらが選ばれます。

炉方式は多数枚をまとめてゆっくり昇温し、長時間保持します。RTPは、ランプなどで1枚を短時間で昇温し、すぐ降温します。曲線の下の面積が与えた熱の総量にあたり、熱バジェットを絞りたい工程順ではRTPが選ばれます。

昇温速度の上限は、ウェーハの材料が決める

Section titled “昇温速度の上限は、ウェーハの材料が決める”

RTPで熱バジェットを絞るには、昇温速度を上げます。ここで壁になるのが材料です。急に加熱するとウェーハの中心と周辺で温度差が生まれ、その差が熱応力になります。応力が材料の耐えられる範囲を超えると、スリップと呼ばれる線状の結晶欠陥や反りが出ます。熱伝導率と機械強度、そして吸収する波長の分布が材料ごとに別の値になるため、同じランプ装置でも上限が別になります。

昇温速度と立ち上がり時間
5秒10秒20秒1000℃0温度の上昇幅時間Si 200℃/secRTA装置 100℃/sSiC 50℃/sec
同じ1000℃を上げるのに、200℃/secなら5秒、50℃/secなら20秒かかります。昇温速度の天井が4分の1になれば、立ち上がりの時間は4倍に延び、曲線の下の面積が広がります。

ジェイテクトサーモシステムのランプアニール装置RLA-4106V4の昇温速度は、Siウェーハで最大200℃/sec、SiCウェーハで最大50℃/secです。2つの数値で計算すると、上限の比は200を50で割って4倍にあたります。1000℃上げる場合に当てはめると、Siは5秒、SiCは20秒です。NISTのナノ加工施設にあるRTA装置は、最高温度1500℃、最大昇温速度100℃/sで5、同じ計算では10秒になります。同じ目標温度へ持ち上げる場合、昇温にかかる時間はSiCで4倍になり、そのぶん曲線の下の面積が広がります。SiCで熱バジェットを絞りたいなら、昇温速度より保持時間と目標温度の側で稼ぐことになります。

温度・時間・雰囲気・枚数のつまみには、それぞれ代償がある

Section titled “温度・時間・雰囲気・枚数のつまみには、それぞれ代償がある”

目標温度を上げる向きでは、不純物の活性化率が上がってシート抵抗が下がり、格子の回復も進みます。代わりに拡散の裾が伸びて接合が深くなり、既に作り込んだ構造が動きます。装置側の代償もあり、石英で組んだ炉には温度の上限があるので、それより上を狙うならヒーターの材質から変えることになります。ジェイテクトサーモシステムは、縦型炉VF-53006で二珪化モリブデン（MoSi2）ヒーターを使えばSiCパワーデバイスのゲート酸窒化のような超高温域にも向けられるとし、製品群で低温域から1850℃までをカバーするとしています。

保持時間を延ばす向きでは回復と活性化が進みますが、熱バジェットの積分値が増え、1枚あたりの所要時間も伸びます。温度と保持時間は装置の仕様でも結び付いていて、先のRTA装置の最長保持時間は1500℃で2分、1000℃未満で120分です5。

雰囲気も回すつまみで、酸素を締めれば自然酸化膜の成長と汚染を抑えられます。RLA-31007は真空に耐える石英管の設計により、清浄な真空（LP）環境とN₂ロードロック雰囲気でウェーハを流せ、この雰囲気のまま活性化と酸化を行えます。RLA-4106Vは真空搬送プラットフォームにより超低酸素雰囲気での搬送と熱処理ができ4、SiCとGaNウェーハのサセプタ自動搬送機能を備えます。汚染の管理はチャンバーに入れる物にも及び、先のRTA装置ではチャンバーへ直接置けるのはシリコンだけで、ほかの材料はサセプタを使い、有機物やレジストは持ち込めません5。代わりに搬送系が複雑になり、装置の外形も大きくなります。RLA-3100の外形はW900×D1850×H2250mm、RLA-4106VはW3300×D4850×H2430mmおよびW1800×D2800×H2275mmです。

枚葉とバッチの選択も、そのまま引き換えになります。RLA-3100は4インチから8インチのウェーハを200℃/secの高速加熱で最大50枚まで連続で流せ7、上下クロス配置のハロゲンランプと熱均一化ユニットで面内の温度分布を整えるとされています。VF-5300は8インチウェーハ最大150枚またはカセット20個を1バッチとし、VF-59008は300mmウェーハ最大100枚またはFOUP16個を1バッチとします。バッチは装置あたりの枚数で勝ち、枚葉は温度履歴の短さで勝ちます。

熱を加えずに膜質を直す道もあります。KOKUSAI ELECTRICは、形成した薄膜へプラズマや熱を加えて膜中の不純物を除き、粒子を安定させて膜質を改善する装置9をトリートメント（膜質改善）プロセス装置とし、微細化と複雑化にともなって低温環境での膜質改善への需要が拡大しているとしています。同社は、枚葉トリートメント装置MARORAが独自のMMT方式で約1eVの低電子温度のプラズマを効率良く作り、プラズマダメージフリーな状態でのプラズマ処理を実現し、生産性は従来モデルの最大2倍だとしています。MARORAはプラズマ酸化とプラズマ窒化に加えて、メタルを残したままSiだけを酸化する選択酸化にも対応します。約1eVという電子温度は、下地へのイオンの叩きを抑えたい場面で意味を持つ数字です。枚葉トリートメント装置TANDUOはモジュール選択によりキュア、アニール、デガスへ合わせた構成を組め、同社は独自のサセプタヒータで高均一なウェーハ面内温度制御を実現するとしています。窒化処理やISSGのような薄い膜の作り込みでは、炉で温度を上げる道とプラズマで低温のまま進める道の両方が候補になります。

炉は成膜と共有され、装置は温度域と用途で分かれる

Section titled “炉は成膜と共有され、装置は温度域と用途で分かれる”

KOKUSAI ELECTRICのグループは、LP-CVD技術、酸化技術、アニール（低温、高温）技術、拡散技術、ALD技術に対応する成膜プロセス装置を提供しています9。炉という同じ構造の上で、流すガスと温度履歴を変えることで別の工程になります。ラージバッチトリートメント装置AdvancedAce-ⅡとQUIXACE-Ⅱは対応プロセスに酸化・拡散・アニール（低温、高温）を並べ、同社は1ロットあたりの伸びを同社比でそれぞれ最大1.75倍、最大1.25倍としています。VF-5300も酸化、拡散、LPCVD、活性化アニールなどの熱処理を1台で行える炉です6。LPCVDと酸化とアニールが同じ号機の上に載るので、レシピの切り替えごとに炉内の履歴が引き継がれます。

ジェイテクトサーモシステムの半導体向け熱処理装置は10、縦型および横型の炉ファミリー、ランプアニールおよびRTPシステム、SiCパワー半導体向け熱処理装置に分かれます。炉とRTPは、用途と温度域で使い分けられます。SiCパワー半導体向けの区分には、活性化アニール炉、コンタクトアニール向けのランプアニール装置、ゲート絶縁膜形成用の縦型炉が並びます。

NOアニール炉VF-3000HSは11、3インチから8インチのウェーハをミニバッチから最大50枚まで、700〜1400℃という帯で受け持ち、炉内をメタルフリー構造にして洗浄頻度を下げるとされています。ウェット・ドライ酸化、H₂アニール、NH₃窒化、NO・N₂O酸窒化といった別の酸化・酸窒化処理を続けて行えます11。ランプ系のRLA-3100とRLA-4106Vはいずれも400〜1200℃で、1400℃級の酸窒化と1200℃級のランプアニールは、同じ「熱処理」でも装置が別になります。SiC MOSFETのようにゲート絶縁膜の形成と活性化アニールの両方が要るデバイスでは、複数の装置を工程順に連ねる形になります。

活性化はシート抵抗、回復はスリップ、装置の履歴は管理図で追う

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活性化の進み具合はシート抵抗で追います。四探針法で面内の複数点を取り、ウェーハマップとして持てば、ランプの配置やサセプタの温度分布に由来する偏りが形として出ます。格子の回復はスリップや転位の有無で確かめ、応力は反りの増減として測ります。膜の緻密化はウェットエッチレートの変化で追え、酸化膜の厚みは膜厚測定で持ちます。

装置の履歴も指標に加えます。石英管やボートは使用時間とともに変質するため、石英部材の交換とシート抵抗のドリフトを同じ時間軸へ載せます。複数号機で同じレシピを回す場合は、号機間の差を装置マッチングとして別に持ちます。これらをSPCの管理図に置き換えると、温度履歴の変化がどの指標へ先に出るかが時系列で追えます。

この用語に対応する装置と製造メーカー

Section titled “この用語に対応する装置と製造メーカー”

装置カタログDBから、この用語に一致する製品familyを持つメーカー 6社／8family を引いています。 各行は各社の公式製品ページを出典とします。 DBからの生成日: 2026-09-03

出典は各社の公式製品ページです。 装置カタログDB では、同じ製品familyを工程・メーカー横断で検索できます。

関連するデータ・ツール

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よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
半導体製造の熱処理とは何ですか？

ウェーハへ熱を加えて、結晶の損傷を回復させたり、打ち込んだ不純物を電気的に働く状態へ変えたり、膜の質を整えたりする工程の総称です。アニールとも呼ばれます。

なぜ熱を加えるのですか？

原子を動かすためです。イオン注入の直後は結晶格子が乱れ、打ち込んだ原子も格子点以外の場所にとどまっており、ドナーやアクセプタとして働かせるには格子位置へ入れる必要があります。熱で原子が動けるようになると、格子が組み直され、不純物が正しい位置へ入ります。

炉方式とRTPの違いは何ですか？

加熱と冷却にかける時間が異なります。炉方式は多数枚をまとめてゆっくり昇温して長時間保持し、RTP（Rapid Thermal Processing、急速熱処理）はランプなどで1枚を短時間で昇温します。熱を与える総量を抑えたい場面ではRTPが選ばれます。

昇温速度はどこまで上げられますか？

材料が上限を決めます。ジェイテクトサーモシステムのランプアニール装置RLA-4106Vの昇温速度は、Siウェーハで最大200℃/sec、SiCウェーハで最大50℃/secです。2つの数値で計算すると、同じ装置でもSiCではSiの4分の1にあたる速度が上限です。

熱処理装置にはどんな種類がありますか？

ジェイテクトサーモシステムの熱処理装置は、縦型および横型の炉ファミリー、ランプアニール／RTPシステム、SiCパワー半導体向け熱処理装置に分かれ、用途と温度域で装置が別になります。同社は製品群で低温域から1850℃までをカバーするとしています。

熱処理は成膜と同じ装置で行いますか？

炉を共有する場合があります。KOKUSAI ELECTRICのグループは、LP-CVD技術、酸化技術、アニール（低温、高温）技術、拡散技術、ALD技術に対応する成膜プロセス装置を提供しています。炉という同じ構造の上で、流すガスと温度履歴を変えて別の工程を行います。

低い温度のまま膜質を直す道はありますか？

トリートメント装置がその役目を持ちます。形成した薄膜へプラズマや熱を加えて膜中の不純物を除き、膜質を改善する装置で、KOKUSAI ELECTRICは、枚葉トリートメント装置MARORAが独自のMMT方式で約1eVの低電子温度のプラズマを効率良く作り、プラズマダメージフリーな状態でのプラズマ処理を実現し、生産性は従来モデルの最大2倍だとしています。

熱処理装置のメーカーはどこですか？

当サイトの装置カタログDBでは、アニールや熱処理に一致する製品familyを持つメーカーを公式製品ページ単位で引けます。Applied Materials、Annealsys、ジェイテクトサーモシステム、SCREEN、Veecoなどが該当します。

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    KOKUSAI ELECTRIC：製品kokusai-electric.com ab
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