今回のテーマは、
「熱処理（アニール）は、なぜ必要で、何を直し、どんな工夫が行われるのか」
答え：注入したままでは、結晶が傷つき、不純物も働けません。高温に保つと、結晶が直り、不純物が原子の位置に入って電気を運ぶようになります。ただし、熱で不純物が広がるので、温度と時間を工夫します。
この記事でわかること
- ① 注入直後は働けない状態
- ② アニールの2つの役目
- ③ 熱の副作用（拡散）
- ④ 炉と、短時間で熱する方法
- ⑤ 温度と時間の考え方
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① 注入したままでは、不純物は働けない
大事なポイント：イオン注入の直後は、結晶が乱れ、不純物の多くは、電気を運べない場所にいます。
前の講で、イオンが当たると、結晶が乱れることを学びました。もう1つの問題は、打ち込まれた不純物の位置です。不純物の原子は、止まった場所に、そのまま留まっています。その場所は、多くの場合、シリコン原子の並びのすき間か、乱れた部分の中です。
第1講で、リンが電子を1個余らせて電気を運ぶ、と説明しました。この仕組みが働くためには、不純物の原子が、シリコン原子の代わりに、結晶の原子の位置にはまって、まわりの原子と手をつなぐ必要があります。すき間にいる不純物は、手をつなげないため、電子や正孔を生みません。
したがって、注入が終わった時点のウェハは、不純物の量は入っていても、n型やp型としては、まだほとんど働いていません。この状態から、働ける状態にするのが、熱処理（アニール）です。
確認クイズ：不純物が電子や正孔を生むためには、結晶のどこに入る必要があるでしょう？
答え：シリコン原子の代わりに、結晶の原子の位置です。
② アニールの2つの役目：結晶を直す、不純物を働かせる
大事なポイント：ウェハを高温に保つと、原子が動けるようになり、結晶が整い、不純物が原子の位置に入ります。
アニールとは、ウェハを高温に保つ熱処理のことです。熱を加えると、原子の振動が大きくなり、少しずつ動けるようになります。この動きが、役に立ちます。
1つ目の役目は、損傷の回復です。弾き飛ばされた原子が、空いた場所へ戻り、結晶の並びが整います。非晶質になった部分も、下にある結晶の並びを型として、再び結晶になることがあります（一般的な説明です）。
2つ目の役目は、活性化です。「活性化」とは、不純物が、結晶の原子の位置に入って、電子や正孔を生むようになることです。活性化して初めて、n型やp型としての働きが生まれます。
どれくらいの温度が必要かは、不純物の種類や量で変わります。損傷の回復は、比較的低い温度から始まり、活性化には、およそ900〜1000℃を超える温度が使われる例が多い、という程度に覚えてください（一例です。実際の条件は工程で決まります）。なお、アニールの前には、高温に耐えないレジストを、取り除いておきます。
ここで、1つ注意があります。入れた不純物のすべてが、活性化するとは限りません。濃く入れすぎると、働けない不純物が増えます。▶ 2級でくわしく
確認クイズ：アニールの2つの役目は、損傷の回復と、何でしょう？
答え：活性化（不純物を働かせること）です。
③ 熱の副作用：不純物が広がる（拡散）
大事なポイント：高温にすると、不純物も動き、深い方へ広がります。広がりすぎると、設計より深い接合になってしまいます。
アニールで動くのは、シリコン原子だけではありません。不純物の原子も、熱で動き、濃い所から薄い所へ広がります。第1講で学んだ拡散と同じ現象が、ここでも起きるわけです。
広がり方は、温度と時間で決まります。温度が高いほど、時間が長いほど、不純物は遠くまで動きます。しかも、温度による違いはとても大きく、少し温度を上げるだけで、動きやすさが何倍にも増えます（一般的な性質です）。
広がると、2つの困ることがあります。1つ目は、接合が深くなりすぎることです。細かい回路では、浅くてはっきりした接合が必要なので、広がりを小さく抑えたい場面が多くなります。2つ目は、横にも広がることです。注入した場所の外へ、不純物がにじみ出てしまいます。
つまり、アニールには、「損傷を直し、活性化するために、十分な熱が欲しい」けれど、「広がりを抑えるために、熱は少なくしたい」という、両立しにくい要求があります。
確認クイズ：アニールで、不純物の広がりが大きくなるのは、どんなときでしょう？
答え：温度が高いときや、時間が長いときです。
④ 炉アニールとRTA：熱のかけ方を選ぶ
大事なポイント：炉は、多数枚をまとめて、時間をかけて熱します。RTAは、1枚ずつ、ランプで急に熱して、すぐ冷まします。
炉アニールは、長い管の形の炉に、ウェハを何枚もまとめて入れ、数十分、温度を保つ方法です。温度が均一になりやすい利点があります。ただし、時間が長いため、不純物の広がりが大きくなります。
RTA（ラピッド・サーマル・アニール、急速熱処理）は、ウェハを1枚ずつ、ランプなどで、速く加熱し、1000℃を超える温度でも、数秒だけ保って、すぐに冷ます方法です。資料でも、ウェハを1000℃以上に、ほんの数秒だけ加熱する、と説明されています。時間が短いので、広がりを抑えられます。
ただし、RTAには弱点もあります。短時間で熱するため、温度を正確に測って制御することが難しく、ウェハの面内で温度に差が出やすくなります。また、ウェハにかかる力も大きくなります。冷ますときは、割れや結晶のずれ（転位）を避けるため、ゆるやかに行う、と書かれています。
さらに短い時間（1秒未満）で熱する、フラッシュランプやレーザーによる方法もあります。▶ 2級でくわしく
確認クイズ：広がりを抑えるのに向いているのは、炉アニールとRTAのどちらでしょう？
答え：時間が短い、RTAです。
くわしく見る：広がりの距離を、数字で比べる
不純物の広がる距離の目安は、拡散のしやすさ（拡散係数）D と時間 t から、√(D × t) で表せます。同じ温度で、D ＝ 1×10−14 cm2/s とします。炉で30分（1800秒）なら、
√(1×10−14 × 1800) ＝ √(1.8×10−11) ≒ 4.2×10−6 cm ≒ 42 nm
RTAで10秒なら、
√(1×10−14 × 10) ＝ √(1×10−13) ≒ 3.2×10−7 cm ≒ 3.2 nm
です。時間が180倍違うので、広がりは √180 ≒ 13倍ほど違います（42 ÷ 3.2 ≒ 13）。RTAは温度が高く、Dが大きくなりますが、仮にDが20倍になっても、√(2×10−13 × 10) ≒ 1.4×10−6 cm ≒ 14 nm で、炉より小さくなります。数値は、理解のための仮の値です。
⑤ 温度と時間の考え方：後の工程の熱も足される
大事なポイント：不純物の広がりは、アニールだけでなく、そのあとの熱でも増えます。全体で、どれだけ熱を受けるかを考えて、条件を決めます。
アニールは、1回で終わりではありません。注入のあとにも、膜をつける、酸化するなど、熱のかかる工程が続くことがあります。不純物は、どの工程の熱でも広がるので、全部の熱を合計して考える必要があります。この考え方を、「熱の履歴」や、英語で「サーマルバジェット」と呼ぶことがあります。
一般に、同じ程度の活性化を得るなら、温度を高くして時間を短くしたほうが、不純物の広がりを抑えやすい、とされています。そのため、細かい回路では、炉からRTAへ、さらに短い時間の方法へと、使われる方法が移ってきました（一般的な流れで、時期や工程は条件によって異なります）。
このように、熱処理の条件は、「十分に直し、十分に活性化し、広がりすぎない」という、3つの兼ね合いで決まります。次の講では、熱の別の使い方と、結果を調べる方法を説明します。
確認クイズ：広がりを考えるとき、何を合計して考える必要があるでしょう？
答え：アニールだけでなく、そのあとの工程も含めた、すべての熱です。
安全のひとこと：アニール装置は、1000℃前後の高温になる部分があり、やけどや、強い光による目の傷害に注意が必要です。窒素、酸素、水素などのガスを使うこともあり、水素のように、燃えやすいガスもあります。ウェハも、冷めるまで高温のままです。取り扱いは、必ず職場の決まりとSDS（安全データシート）に従います。
この講のまとめ
注入の直後は、結晶が乱れ、不純物も原子の位置にいないため、そのままでは電気を運べません。
アニールで、損傷を直し、不純物を原子の位置に入れて活性化させますが、熱で不純物が広がる副作用もあります。
炉は長時間、RTAは短時間で熱し、広がりを抑えるには、短時間で高温の方法が向いています。
次の講では、熱の別の使い方（酸化など）と、できたものを調べる方法（シート抵抗など）、よくある不良を説明します。
ことばのおさらい
- アニール：ウェハを高温に保つ熱処理です。
- 活性化：不純物が結晶の原子の位置に入り、電子や正孔を生むようになることです。
- 拡散：不純物が、濃い所から薄い所へ広がる現象です。
- RTA：急速熱処理。ランプなどで、1枚ずつ、短時間で熱する方法です。
- 炉アニール：炉に多数枚を入れ、長い時間で熱する方法です。
- サーマルバジェット：全工程で受ける熱の合計の考え方です。
よくある誤解
Q. アニールは、温度を高くするほど、よいのですか？
いいえ。温度が高いと、活性化は進みますが、不純物が広がり、接合が深くなります。時間も含めて、兼ね合いで決めます。
Q. 活性化すれば、入れた不純物は全部、働きますか？
いいえ。濃く入れすぎると、働けない不純物が増えます。2級で詳しく学びます。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Rapid thermal processing」（RTAの温度、時間、損傷の回復と活性化、弱点。実際に読んだ）
- Wikipedia「Ion implantation」（活性化のためのアニール、炉・RTA・フラッシュ・レーザーの違い。実際に読んだ）
