離子注入工藝是一種在半導體制造中起到關鍵作用的技術，它能夠將絕緣體轉變為具有導電性的半導體材料。通過離子注入，我們可以將外層電子數不同的雜質引入純凈的硅晶體中，從而改變硅的微觀結構，實現導電性。
通常情況下，硅晶體的外層電子數為4，無法形成自由移動的電流。為了使硅能夠導電，我們需要摻入其他元素。最常用的方法是摻入外層電子數為5的磷元素或外層電子數為3的硼元素。這樣，硅晶體就分為了多余電子形成的n型區域和缺電子形成的p型區域。
將n型和p型區域結合在一起，形成PN結。當連接電源時，電子從n區域流向p區域，產生電流，此時硅就從絕緣體轉變為半導體。
半導體材料最重要的特性之一是導電率可以通過摻雜物控制。集成電路制造過程中，半導體材料（如硅、鍺或Ⅲ-V族化合物砷化家）不是通過N型摻雜物就是利用Р型摻雜物進行摻雜。
一般通過兩種方法進行半導體摻雜:擴散和離子注入。20世紀70年代之前，一般應用擴散技術進行摻雜;目前的摻雜過程主要通過離子注入實現。
離子注入是一種添加工藝，利用高能量帶電離子束注入的形式，將摻雜物原子強行摻入半導體中。這是半導體工業中的主要摻雜方法，在集成電路制造中一般用于各種不同的摻雜過程。圖8.1 顯示了集成電路制造過程中的離子注入工藝與其他工藝的關系。
離子注入工藝具有幾個重要的優勢。首先，它可以精確控制摻雜劑的濃度和分布，提供高度定制化的制造過程。其次，與其他方法不同，離子注入工藝無需高溫處理，直接對晶體進行摻雜，避免了可能對晶體結構造成的損害。最后，離子注入工藝快速實現摻雜，大大提高了生產效率。
離子注入機是一個非常龐大的設備，可能是半導體生產中最大的設備。離子注入機包含了幾個子系統:氣體系統、電機系統、真空系統、控制系統和最重要的射線系統（見圖8.19)。離子注入機使用很多危險的氣體和蒸氣產生摻雜物離子。易燃性和有毒性氣體如三氫化砷和三氫化磷，腐蝕性氣體如三氟化硼，由固態材料而形成的有害蒸氣如硼和磷。為了降低這些危險氣體滲漏到生產中的風險，特別設計了氣柜并封在離子注入機的內部來專門存儲這些接近離子源的化學藥品。高壓直流電源用于加速離子，大約為200kV的DC電源供應系統被裝配在注入機內。為了通過離子源產生離子，需要用熱燈絲或射頻等離子體源。熱燈絲需要大電流和幾百伏的供電系統，然而一個射頻離子源需要大約1000W的射頻供應。需要高電流通過質譜儀磁鐵產生強大的磁場彎曲離子軌道，并選擇正確的離子產生非常純凈的離子束。電力供應系統需要校正而且必須精確，電力供應的電壓與電流必須非常穩定并確保工藝成品率。整個射線必須在高真空狀態下減少帶電離子和中性氣體分子沿離子軌跡發生碰撞的概率。碰撞將引起離子的散射和損失，并且將從離子與中性原子間的電荷交換過程中產生不需要的離子注入，這會造成射線污染。離子束的壓力應該降低到使離子的平均自由程比離子源到晶圓表面的軌跡長度還要長。結合了冷凍泵、渦輪泵和干式泵的裝置將被使用在射線系統中以達到107Torr 的高真空。因為離子注入過程中將使用危險氣體，所以注入機的真空排放系統必須與其他排放系統隔離開。當排放氣體釋放到空氣中之前，需要經過燃燒箱和洗滌器。在燃燒箱中，易燃性和爆炸性的氣體將會在高溫火焰中被氧氣中和。在洗滌器中，腐蝕性氣體和燃燒的灰塵將被沖洗掉。為了達到設計要求，離子注入過程需要精確控制離子束的能量、電流和離子的種類。注入機也需要控制機械部分，例如裝載與卸載晶圓的機器手臂，并控制晶圓的移動使整個晶圓獲得均勻注入。節流閥根據壓力設置維持系統的壓力。中央控制系統通常是一片中央處理(CPU)電路系統。不同的控制系統將收集注入機內各系統的信號并送到CPU電路板系統中，CPU電路板將處理資料并通過控制電路板將指令傳送到注入機內的各系統中。離子射線系統是離子注入機最重要的部分，它包含了離子源、萃取電極、質譜儀、后段加速系統、等離子體注入系統及終端分析儀。圖8.20說明了離子注入機的射線系統。摻雜物離子包括:摻雜物蒸氣;氣態摻雜化學合成物原子;分子的游離放電產生物。熱燈絲離子源是最常用的一種離子源。在這種離子源中，燈絲電能供應系統加熱鎢絲并在熾熱的燈絲表面形成熱電子發射。熱電子被電壓很高的電弧電力供應系統加速后將摻雜物氣體的分子和摻雜物的原子分解并離子化。圖8.21顯示了一個熱燈絲離子源。離子源內的磁場將強迫電子形成螺旋運動，這將使電子行走更長的距離，并增加電子與摻雜物分子碰撞的概率而產生更多的摻雜物離子。負偏壓抗陰極電極板會將電子從附近的區域排斥，減少了電子沿磁場線與側壁產生碰撞的損失問題。其他種類的離子源，例如射頻（RF）離子源和微波離子源，也應用于離子注入的制造過程中。射頻離子源使用電感耦合型射頻離化摻雜物離子。微波離子源使用電子回旋共振產生等離子體及離子化摻雜物離子。圖8.22顯示了射頻離子源與微波離子源的示意圖。
使用負偏壓的萃取電極將離子從離子源內的等離子體中抽出，并將其加速到大約50keV的能量。離子必須有足夠的能量才能通過質譜儀磁場選擇出正確的離子。圖 8.23顯示了萃取系統。當摻雜物離子加速并射向萃取電極時，一些離子會通過夾縫并繼續沿著射線行進;一些離子會碰撞到萃取電極的表面產生×光并激發出二次電子。一個電位比萃取電極低很多（最多10kV）的抑制電極將會用于防止二次電子被加速返回離子源造成損壞。所有的電極都帶有一個狹窄的狹縫，這個狹縫使離子萃取出來作為準直式離子流并形成所需的離子束。萃取后的離子束能量由離子源與萃取電極之間的電位差決定。萃取電極電位與終端架的電位相同，而且有時稱為系統的接地電位。系統接地與實際接地（注入機覆蓋盤）的電位差可高達-50kV，所以如果沒有通過電弧放電而直接接觸就可能造成致命的電擊。在一個磁場內帶電荷的粒子會因磁場作用而開始旋轉，磁場的方向通常與帶電粒子的行進方向垂直。對于固定的磁場強度和離子能量，螺旋轉動半徑只與帶電粒子的荷質比 (m/q)有關。這個方法已經用于同位素分離技術從238u產生豐富的235U來制造核子彈。幾乎在每個離子注入機內，質譜儀都用于精確選擇所需的離子并排除不要的離子。圖8.24 說明了離子注入機的質譜儀系統。BF,通常用于硼的摻雜源。在等離子體中，結合分解和離子化碰撞將產生許多離子。因為硼有兩種同位素（10B (19.9%）和11B(80.1%))，所以具有幾種離子化狀態，從而更增加了離子種類的數目。表8.8 列出了含硼的離子和原子或分子的重量。對于P型阱區注入工藝，11B+最常使用，因為在同樣的能量等級11B+的重量較輕，所以可穿入到硅襯底較深的位置。對于淺界面離子注入工藝，11BF+,離子最常使用，因為11BF+,離子的尺寸較大且重量較重。在注入機可以提供的最低能量等級范圍內，11BF+,離子在這些含硼的離子中具有最短的離子射程，可以形成最淺的Р型界面，將少量的氟整合進入硅襯底可以在硅與二氧化硅界面處與硅的懸浮鍵結合，從而可以減少界面態電荷并改善元器件的性能。當離子進入質譜儀之前，它們的能量取決于離子源和萃取電極之間的電位差，一般情況這個值設置在50kV左右。萃取的單電荷離子能量為
50keV。已知離子的m/q值和離子的能量，通過計算機程序就能夠計算出離子軌道通過狹窄縫隙時所需的磁場強度。調整磁鐵線圈內的電流可以使質譜儀精確地選擇出需要的摻雜離子。當質譜儀選擇了所需的離子后，離子將進入后段加速區域，射束電流與最后的離子能量被控制在該區內，離子束電流利用可調整的葉片控制，而離子能量則由后段加速電極的電位控制。離子束的聚焦和射線形狀被界定孔徑及電極控制。圖8.25顯示了射束電流控制及后段加速裝置。對于主要用于阱區與深埋層注入過程的高能離子注入機，需要將數個高壓加速電極沿著射線方向串聯在一起，這樣可以將離子加速到幾百萬電子伏(MeV）的能量等級。應用在超淺型結(USJ）注入的離子注入機，特別是用于Р型硼的注入，后段加速電極以反向方式連接，這樣離子束才會在經過該電極時被減速而不是被加速，產生能量低于0.1keV左右的純凈離子束。某些注入機后段加速之后，將用一個電極將離子束彎曲一個小角度，例如10°，從而有助于擺脫高能量的中性粒子。當離子的軌跡彎曲并向晶圓移動時，中性粒子保持直線運動（見圖8.26)。有些注入系統將離子彎曲兩次，并形成「S」形軌跡，這樣可以獲得純度更高的離子源。當離子注入進入硅襯底時，會將正電荷帶入晶圓表面。如果正電荷一直積累，就可能造成晶圓的帶電效應。帶正電荷的晶圓表面將傾向于排斥正離子，這樣將引起所謂的射線放大和不均勻的離子注入，并導致整個晶圓上的摻雜物分布不均勻（見圖8.27)。當表面電荷濃度過高時，電荷產生的電場可能高到足以使薄的柵氧化層擊穿，從而將嚴重影響集成電路芯片的成品率。當積累的正電荷增加到某一程度時，會以電弧的形式放電，電弧的火花將在晶圓表面上造成缺陷。為了處理晶圓帶電問題，需要使用大量帶負電荷的電子中和晶圓表面的正離子。有幾種方法可以使晶圓中性化:等離子體注入系統、電子槍和電子淋浴器都可以提供電子中和正離子，將晶圓的帶電效應降到最低。圖8.28顯示了一個等離子體注入系統。在等離子體注入系統中，熱電子從熱的鎢絲表面發射出來并通過直流電源加速。這些熱電子將在反應室中與中性原子碰撞產生帶有電子與離子的等離子體。等離子體中的電子會被吸入離子束中與離子一起流向晶圓表面，形成的等離子體將中和晶圓并將晶圓的帶電效應降到最低。圖8.29說明了一個電子槍系統。熱電子由熱燈絲產生并以高能量加速到電子靶上。電子與靶碰撞后產生大量二次電子，這些二次電子由靶的表面通過撞擊離開表面后與離子束一起流向晶圓中和晶圓表面的正離子。晶圓處理器最重要的作用是在整個晶圓表面形成均勻的離子注入。離子束的直徑大約為25mm(約1in)。通常需要移動離子束或移動晶圓，而且有些注入機中兩者都需要移動，通過移動使離子束均勻掃描整個晶圓，晶圓直徑可以是300mm 的大尺寸。對于旋轉輪系統，旋轉輪能高速自旋。當晶圓通過離子束時，離子會以離子束的弧形帶狀形式注入到晶圓的部分區域。轉輪的中心會前后擺動，從而可以使離子束均勻地掃描到旋轉輪的每個晶圓部分。圖8.30說明了一個旋轉晶圓的支撐系統。旋轉圓盤與旋轉輪類似，不同之處在于旋轉圓盤不是擺動整個圓盤，而是用掃描離子束的方式在整個晶圓表面獲得均勻的離子注入。圖 8.31說明了旋轉圓盤系統。另一種離子注入機晶圓處理系統如圖8.32 (a）所示，它結合了離子束的掃描與晶圓的運動。當晶圓通過步進馬達在y方向上移動時，改變掃描電極間所施加的偏壓就可使離子束在x軸上來回掃描。整個晶圓可以利用這種方式均勻進行離子注入。這種掃描技術可以用在單晶圓的注入系統中。對于有些單晶片注入工藝里，不使用x方向的掃描光束帶系統，而是使用寬帶或絲帶束，并同時向上或向下移動晶圓實現均勻的離子注入，如圖8.32(b）所示。其他一些系統在y方向使用寬帶束，并在x方向和晶圓一起擺動得到統一的離子注入。在先進的納米集成電路制造中，單晶片離子注入系統已成為主流，如USJ源/漏形成，其中包括源漏擴展注入和源極/漏極離子注入工藝過程。晶圓夾具必須帶有冷卻系統以帶走由高能離子轟擊產生的熱量，并控制晶圓的溫度;否則晶圓溫度可能太高而造成光刻膠的網狀組織化。通常晶圓的夾具是水冷式的，而溫度被控制在100℃以下。射線阻擋器位于射線的尾端，通常需要一個射線阻擋器或終點站吸收離子束能量。同時射線阻擋器也可以充當射束電流、射束能量和射束形狀測量的離子束檢測器。水冷式金屬平板用于帶走高能離子轟擊所產生的熱量，并阻擋標靶表面因帶電離子快速停止而產生的×光輻射。圖8.33說明了一個射線阻擋器。離子束阻擋器的底部有一個離子檢測器列陣，可以用來測量離子的能量與能量光譜、射束的電流和射束形狀。離子束中有很多電子，這些電子主要來源于電荷中性化系統，例如電子注入系統、電子槍或其他可產生大量電子的電子源。如果這些電子進入射線阻擋器并碰撞到法拉第檢測器時，就會減小電流的讀數值，影響射束電流測量結果的準確性。因為電子的螺旋轉動半徑較小，所以利用永久磁鐵產生磁場防止電子進入射束阻擋器中。磁場也可以防止石墨表面發射的二次電子進入后段加速電極中造成損壞。
