プラズマ浸漬イオン注入

プラズマ浸漬イオン注入（PIII）^[1]またはパルスプラズマドーピング（パルスPIII）は、高電圧パルスDCまたは純DC電源を印加してプラズマから加速イオンを抽出し、半導体ウェハを上に置いた適切な基板または電極に照射して適切なドーパントを注入する表面改質技術です。電極は電気陽性プラズマの場合は陰極、電気陰性プラズマの場合は陽極です。プラズマは、適切に設計された真空チャンバー内で、最高のイオン密度と最低の汚染レベルのプラズマを生成する電子サイクロトロン共鳴プラズマ源、ヘリコンプラズマ源、容量結合プラズマ源、誘導結合プラズマ源、DCグロー放電、金属蒸気アーク（金属種用）などのさまざまなプラズマ源 の助けを借りて生成できます。真空チャンバーには、前者の場合のように基板に電源が適用される場合と、後者の場合のように 穴あきグリッドに電源が適用される場合に応じて、ダイオード型とトライオード型^[2]の2種類があります。

従来の浸漬型 PIII システム (ダイオード型構成とも呼ばれる) ^[2]では、電気陽性プラズマの正に帯電したイオンが抽出され注入されるため、ウェーハは負の電位に保たれます。処理するウェーハサンプルは、真空チャンバー内のサンプルホルダーに配置されます。サンプルホルダーは高電圧電源に接続され、チャンバー壁から電気的に絶縁されています。ポンプとガス供給システムによって、適切な圧力の作業ガス雰囲気が作成されます。^[3]

基板が負の 電圧（数 KV）にバイアスされると、結果として生じる 電界が、逆電子プラズマ周波数​​ ω _e ⁻¹（約 10 ^{−9秒）の}時間スケールで電子を基板から遠ざけます。したがって、電子が枯渇したイオンマトリックスデバイシース^{[2] [4]が基板の周囲に形成されます。負にバイアスされた基板は、逆イオンプラズマ周波数​​ ω} _i ⁻¹（約 10 ⁻⁶秒）の時間スケールでイオンを加速します。このイオンの動きによってバルク内のイオン密度が低下し、印加された電位降下を維持するためにシース-プラズマ境界が拡大し、その過程でより多くのイオンが露出します。プラズマシースは、チャイルドラングミュアの法則限界と呼ばれる定常状態に達するか、パルス DCバイアスの場合のように高電圧がオフになるまで拡大します。パルスバイアスは、パルスオン時間中の損傷が少なく、アフターグロー期間（つまりパルス終了後）にウェーハ上に蓄積された不要な電荷を中和するため、DCバイアスよりも好まれます。パルスバイアスの場合、パルスのT _ON時間は通常20〜40μsに保たれ、T _OFFは0.5〜2ms、つまりデューティサイクル1〜8％に保たれます。使用される電源は500Vから数百KVの範囲で、圧力は1〜100mTorrの範囲です。 [ ^4]これが浸漬型PIIIの動作の基本原理です。

三極管型構成の場合、適切な穴あきグリッドが基板とプラズマの間に配置され、このグリッドにパルス DC バイアスが適用されます。ここでは、前に説明したのと同じ理論が適用されますが、グリッドの穴から抽出されたイオンが基板に衝突して注入が発生するという違いがあります。この意味で、三極管型 PIII 注入装置は、イオンビーム ステアリング、ビーム フォーカス、追加のグリッドアクセラレータなど の多数のコンポーネントが含まれていないため、イオン注入の粗雑なバージョンです。

CR Viswanathan、「プラズマ誘起損傷」、Microelectronic Engineering、Vol. 49、No. 1-2、1999 年 11 月、pp. 65–81。