等离子体浸没离子注入

等离子体浸没离子注入（PIII）或脉冲等离子体掺杂（脉冲PIII）是一种表面改性技术，通过施加高压脉冲直流或纯直流电源将加速的离子从等离子体中提取出来，并将它们定位到合适的基板或 电极，上面放有半导体晶片，以便用合适的掺杂剂注入它。 电极是正电等离子体的阴极，而它是负电等离子体的阳极。 等离子体可以在适当设计的真空室中在各种等离子体源的帮助下产生，例如产生具有最高离子密度和最低污染水平的等离子体的电子回旋共振等离子体源、螺旋等离子体源、电容耦合等离子体源、电感耦合等离子体源 、直流辉光放电和金属蒸汽电弧（对于金属物种）。 真空室可以有两种类型——二极管型和三极管型，这取决于电源是像前者那样施加到基板上还是像后者那样施加到穿孔栅格上。

在传统的浸入式 PIII 系统（也称为二极管型配置）中，晶圆保持负电位，因为正电等离子体的带正电离子是被提取和注入的离子。 待处理的晶片样品被放置在真空室中的样品架上。 样品架连接到高压电源并与腔室壁电绝缘。 通过泵送和气体供给系统，在适当压力下产生工作气体气氛。

当衬底被偏置到负电压（几千伏）时，所产生的电场在反电子等离子体频率 ωe−1（~ 10−9 秒）的时间尺度内驱使电子远离衬底。 因此，在其周围形成耗尽电子的离子矩阵德拜鞘。 负偏压基板将在反离子等离子体频率 ωi−1（~ 10−6 秒）的时间尺度内加速离子。 这种离子运动降低了本体中的离子密度，这导致鞘等离子体边界扩大以维持施加的电位降，在此过程中暴露更多离子。 等离子体鞘层膨胀直到达到稳态条件，这称为 Child Langmuir 定律极限； 或者在脉冲直流偏置的情况下关闭高压。 脉冲偏压优于 DC 偏压，因为它在脉冲导通期间造成的损坏较小，并且在余辉期间（即脉冲结束后）中和晶圆上积累的不需要的电荷。 在脉冲偏置的情况下，脉冲的 TON 时间通常保持在 20-40 µs，而 TOFF 保持在 0.5-2 ms，即占空比为 1-8%。 使用的电源范围为 500 V 至数百 KV，压力范围为 1-100 mTorr。 这就是浸入式 PIII 运行的基本原理。

在三极管类型配置的情况下，将合适的穿孔栅放置在衬底和等离子体之间并且将脉冲直流偏压施加到该栅。 这里应用与前面讨论的相同的理论，但不同之处在于从栅格孔中提取的离子轰击衬底，从而引起注入。 从这个意义上说，三极管型 PIII 注入机是离子注入的粗略版本，因为它不包含过多的组件，如离子束转向、束聚焦、额外的栅极加速器等。