【完全図解】アニールとは？半導体に「熱を加えて整える」熱処理の目的と4つの方式

こんな疑問はありませんか？

半導体のアニールとは、何のために熱を加えているの？
熱を加えるなら、高い温度で長く加えればいいのでは？
炉・RTA・フラッシュランプ・レーザーは何が違うの？
工程のどこで、何回くらいアニールするの？
アニールの装置は、どの会社が作っているの？

この記事でわかること

アニールの定義と、4つの目的
熱をかけすぎると困る理由（サーマルバジェット）
4つの方式を、時間の長さで並べた比較表
工程の中でアニールが登場する5つの場面
装置・材料・使う側の企業を3面のカードで

あなたが今いる場所：前工程＞ドーピング＞アニールとは？

前工程（ウェーハに回路を作る）

基板成膜露光エッチングドーピング ←ココ CMP 洗浄配線計測

後工程（チップに切り分けて仕上げる）

ウェーハテストバックグラインドダイシングボンディング封止最終テスト先端パッケージ

アニールは、イオン注入のあとの熱処理として「ドーピング」の工程に入ります。薄い色の「成膜」や「配線」のあとにも、目的を変えて登場します。

先に結論

半導体のアニールとは、ウェーハに熱を加えて、打ち込んだ不純物を働かせたり、乱れた結晶や膜の状態を整えたりする熱処理です。

ただし、熱を加えすぎると、狙った場所に入れた不純物が周りに広がってしまいます。そのため、トランジスタが小さくなるほど「必要なだけ熱を加えて、すぐ冷ます」ことが求められ、数十分かける炉から、数秒のRTA、さらに数ミリ秒のフラッシュランプや、1ミリ秒未満のレーザーへと、加熱の時間を短くする方向に進んできました。

用語メモ：サーマルバジェット

ウェーハが工程全体で受ける「熱の総量」。温度が高く、時間が長いほど大きくなります。これが大きすぎると、不純物が広がったり、膜や配線が傷んだりします。

用語メモ：活性化

打ち込んだ不純物の原子を、シリコンの結晶の決まった位置に入れ替えて、電気を運ぶ役目（電子やホールを生み出す役目）を果たせる状態にすること。

この工程の役割

受け取るもの

前の工程を終えたウェーハ

不純物を打ち込んだ・膜を積んだ直後

→

熱処理

アニール

熱を加えて性質を整える

→

次の工程へ渡すもの

性質が整ったウェーハ

次の工程へ

目的	何が起きるか	主な場面
不純物の活性化	打ち込んだ不純物が結晶の決まった位置におさまり、電気を運べるようになる	イオン注入のあと
結晶の修復	打ち込みで乱れた原子の並びが、元の整った結晶に戻る	イオン注入のあと
膜を整える	積んだ膜を緻密にしたり、膜の中の不要な成分を抜いたりする	成膜のあと
金属を反応・成長させる	金属とシリコンを反応させて電極の接点を作る。配線の銅の結晶を大きくして電気を通しやすくする	電極や配線を作るとき

ポイント：どの目的でも、アニールは「形を変えずに、中身を変える」工程です。見た目の形は前の工程で決まり、アニールでその形に「電気の性質」を与えます。

	熱が足りない	ちょうどよい	熱をかけすぎ
不純物	結晶の決まった位置におさまらず、働かない	決まった位置におさまって働く	周りに広がり、狙った場所からはみ出す
結晶	乱れが残る	整う	整うが、ほかの部分に悪影響が出ることがある
トランジスタ	電気が流れにくい	狙った性能になる	隣どうしがつながって電気がもれる

たとえるなら

ケーキの表面だけを香ばしく焼いて、中のクリームは溶かしたくない、という料理に似ています。オーブンでじっくり焼くと中まで熱が回ってしまいます。そこで、バーナーで表面だけを一瞬あぶる方法が考えられました。半導体のアニールも、表面の浅い所だけを一瞬で熱する方向に進んでいます。

注意：サーマルバジェットは、1回のアニールだけで決まるものではありません。前工程のすべての熱処理の合計で考えます。あとの工程で熱を加えすぎると、前の工程で作り込んだ不純物の分布が崩れてしまうため、工程全体で熱の使い方を設計します。

方式	加熱の仕方	時間の目安	得意なこと
炉アニール	たくさんのウェーハを炉に並べ、まとめて熱する	数十分〜数時間	一度に大量に処理でき、全体を均一に熱する
RTA（急速熱処理）	ランプの光で1枚ずつ急速に熱して冷ます	数秒	炉より熱の総量を抑えられる
フラッシュランプアニール	キセノンランプを一瞬光らせて、表面だけを熱する	数ミリ秒	浅い所の不純物をよく働かせ、広がりを抑える
レーザーアニール	レーザーで表面の数原子層だけを熱する	1ミリ秒未満	さらに浅い所だけを、極めて短く熱する

用語メモ：RTA

Rapid Thermal Annealing（急速熱処理）の略。RTP（Rapid Thermal Processing）とも呼びます。温度を一気に上げ、狙った温度に達したらすぐ下げる「スパイクアニール」もこの仲間です。

1,000℃超

レーザーで加熱するウェーハ表面の温度

出典：Applied Materials「Vantage Astra DSA」

1ミリ秒未満

レーザーで表面を加熱する時間

出典：Applied Materials「Vantage Astra DSA」

このブロックの参照データ

・SCREEN「フラッシュランプアニール装置 LA-3100」

・Applied Materials「Vantage Astra DSA」

順番	場面	アニールのねらい
1	イオン注入のあと	不純物の活性化と、結晶の修復
2	絶縁膜を積んだあと	膜を緻密にして、性質を安定させる
3	電極の接点を作るとき	金属とシリコンを反応させ、電気を通しやすい接点（シリサイド）を作る
4	配線の銅をめっきしたあと	銅の結晶を大きくして、電気を通しやすくする
5	工程の終わり近く	水素などの雰囲気で熱して、トランジスタの境目の小さな欠陥を減らす