离子注入工艺是一种在半导体制造中起到关键作用的技术，它能够将绝缘体转变为具有导电性的半导体材料。通过离子注入，我们可以将外层电子数不同的杂质引入纯净的硅晶体中，从而改变硅的微观结构，实现导电性。
通常情况下，硅晶体的外层电子数为4，无法形成自由移动的电流。为了使硅能够导电，我们需要掺入其他元素。最常用的方法是掺入外层电子数为5的磷元素或外层电子数为3的硼元素。这样，硅晶体就分为了多余电子形成的n型区域和缺电子形成的p型区域。
将n型和p型区域结合在一起，形成PN结。当连接电源时，电子从n区域流向p区域，产生电流，此时硅就从绝缘体转变为半导体。
半导体材料最重要的特性之一是导电率可以通过掺杂物控制。集成电路制造过程中，半导体材料（如硅、锗或Ⅲ-V族化合物砷化家）不是通过N型掺杂物就是利用Р型掺杂物进行掺杂。
一般通过两种方法进行半导体掺杂:扩散和离子注入。20世纪70年代之前，一般应用扩散技术进行掺杂;目前的掺杂过程主要通过离子注入实现。
离子注入是一种添加工艺，利用高能量带电离子束注入的形式，将掺杂物原子强行掺入半导体中。这是半导体工业中的主要掺杂方法，在集成电路制造中一般用于各种不同的掺杂过程。图8.1 显示了集成电路制造过程中的离子注入工艺与其他工艺的关系。
离子注入工艺具有几个重要的优势。首先，它可以精确控制掺杂剂的浓度和分布，提供高度定制化的制造过程。其次，与其他方法不同，离子注入工艺无需高温处理，直接对晶体进行掺杂，避免了可能对晶体结构造成的损害。最后，离子注入工艺快速实现掺杂，大大提高了生产效率。
离子注入机是一个非常庞大的设备，可能是半导体生产中最大的设备。离子注入机包含了几个子系统:气体系统、电机系统、真空系统、控制系统和最重要的射线系统（见图8.19)。离子注入机使用很多危险的气体和蒸气产生掺杂物离子。易燃性和有毒性气体如三氢化砷和三氢化磷，腐蚀性气体如三氟化硼，由固态材料而形成的有害蒸气如硼和磷。为了降低这些危险气体渗漏到生产中的风险，特别设计了气柜并封在离子注入机的内部来专门存储这些接近离子源的化学药品。高压直流电源用于加速离子，大约为200kV的DC电源供应系统被装配在注入机内。为了通过离子源产生离子，需要用热灯丝或射频等离子体源。热灯丝需要大电流和几百伏的供电系统，然而一个射频离子源需要大约1000W的射频供应。需要高电流通过质谱仪磁铁产生强大的磁场弯曲离子轨道，并选择正确的离子产生非常纯净的离子束。电力供应系统需要校正而且必须精确，电力供应的电压与电流必须非常稳定并确保工艺成品率。整个射线必须在高真空状态下减少带电离子和中性气体分子沿离子轨迹发生碰撞的概率。碰撞将引起离子的散射和损失，并且将从离子与中性原子间的电荷交换过程中产生不需要的离子注入，这会造成射线污染。离子束的压力应该降低到使离子的平均自由程比离子源到晶圆表面的轨迹长度还要长。结合了冷冻泵、涡轮泵和干式泵的装置将被使用在射线系统中以达到107Torr 的高真空。因为离子注入过程中将使用危险气体，所以注入机的真空排放系统必须与其他排放系统隔离开。当排放气体释放到空气中之前，需要经过燃烧箱和洗涤器。在燃烧箱中，易燃性和爆炸性的气体将会在高温火焰中被氧气中和。在洗涤器中，腐蚀性气体和燃烧的灰尘将被冲洗掉。为了达到设计要求，离子注入过程需要精确控制离子束的能量、电流和离子的种类。注入机也需要控制机械部分，例如装载与卸载晶圆的机器手臂，并控制晶圆的移动使整个晶圆获得均匀注入。节流阀根据压力设置维持系统的压力。中央控制系统通常是一片中央处理(CPU)电路系统。不同的控制系统将收集注入机内各系统的信号并送到CPU电路板系统中，CPU电路板将处理资料并通过控制电路板将指令传送到注入机内的各系统中。离子射线系统是离子注入机最重要的部分，它包含了离子源、萃取电极、质谱仪、后段加速系统、等离子体注入系统及终端分析仪。图8.20说明了离子注入机的射线系统。掺杂物离子包括:掺杂物蒸气;气态掺杂化学合成物原子;分子的游离放电产生物。热灯丝离子源是最常用的一种离子源。在这种离子源中，灯丝电能供应系统加热钨丝并在炽热的灯丝表面形成热电子发射。热电子被电压很高的电弧电力供应系统加速后将掺杂物气体的分子和掺杂物的原子分解并离子化。图8.21显示了一个热灯丝离子源。离子源内的磁场将强迫电子形成螺旋运动，这将使电子行走更长的距离，并增加电子与掺杂物分子碰撞的概率而产生更多的掺杂物离子。负偏压抗阴极电极板会将电子从附近的区域排斥，减少了电子沿磁场线与侧壁产生碰撞的损失问题。其他种类的离子源，例如射频（RF）离子源和微波离子源，也应用于离子注入的制造过程中。射频离子源使用电感耦合型射频离化掺杂物离子。微波离子源使用电子回旋共振产生等离子体及离子化掺杂物离子。图8.22显示了射频离子源与微波离子源的示意图。
使用负偏压的萃取电极将离子从离子源内的等离子体中抽出，并将其加速到大约50keV的能量。离子必须有足够的能量才能通过质谱仪磁场选择出正确的离子。图 8.23显示了萃取系统。当掺杂物离子加速并射向萃取电极时，一些离子会通过夹缝并继续沿着射线行进;一些离子会碰撞到萃取电极的表面产生×光并激发出二次电子。一个电位比萃取电极低很多（最多10kV）的抑制电极将会用于防止二次电子被加速返回离子源造成损坏。所有的电极都带有一个狭窄的狭缝，这个狭缝使离子萃取出来作为准直式离子流并形成所需的离子束。萃取后的离子束能量由离子源与萃取电极之间的电位差决定。萃取电极电位与终端架的电位相同，而且有时称为系统的接地电位。系统接地与实际接地（注入机覆盖盘）的电位差可高达-50kV，所以如果没有通过电弧放电而直接接触就可能造成致命的电击。在一个磁场内带电荷的粒子会因磁场作用而开始旋转，磁场的方向通常与带电粒子的行进方向垂直。对于固定的磁场强度和离子能量，螺旋转动半径只与带电粒子的荷质比 (m/q)有关。这个方法已经用于同位素分离技术从238u产生丰富的235U来制造核子弹。几乎在每个离子注入机内，质谱仪都用于精确选择所需的离子并排除不要的离子。图8.24 说明了离子注入机的质谱仪系统。BF,通常用于硼的掺杂源。在等离子体中，结合分解和离子化碰撞将产生许多离子。因为硼有两种同位素（10B (19.9%）和11B(80.1%))，所以具有几种离子化状态，从而更增加了离子种类的数目。表8.8 列出了含硼的离子和原子或分子的重量。对于P型阱区注入工艺，11B+最常使用，因为在同样的能量等级11B+的重量较轻，所以可穿入到硅衬底较深的位置。对于浅界面离子注入工艺，11BF+,离子最常使用，因为11BF+,离子的尺寸较大且重量较重。在注入机可以提供的最低能量等级范围内，11BF+,离子在这些含硼的离子中具有最短的离子射程，可以形成最浅的Р型界面，将少量的氟整合进入硅衬底可以在硅与二氧化硅界面处与硅的悬浮键结合，从而可以减少界面态电荷并改善元器件的性能。当离子进入质谱仪之前，它们的能量取决于离子源和萃取电极之间的电位差，一般情况这个值设置在50kV左右。萃取的单电荷离子能量为
50keV。已知离子的m/q值和离子的能量，通过计算机程序就能够计算出离子轨道通过狭窄缝隙时所需的磁场强度。调整磁铁线圈内的电流可以使质谱仪精确地选择出需要的掺杂离子。当质谱仪选择了所需的离子后，离子将进入后段加速区域，射束电流与最后的离子能量被控制在该区内，离子束电流利用可调整的叶片控制，而离子能量则由后段加速电极的电位控制。离子束的聚焦和射线形状被界定孔径及电极控制。图8.25显示了射束电流控制及后段加速装置。对于主要用于阱区与深埋层注入过程的高能离子注入机，需要将数个高压加速电极沿着射线方向串联在一起，这样可以将离子加速到几百万电子伏(MeV）的能量等级。应用在超浅型结(USJ）注入的离子注入机，特别是用于Р型硼的注入，后段加速电极以反向方式连接，这样离子束才会在经过该电极时被减速而不是被加速，产生能量低于0.1keV左右的纯净离子束。某些注入机后段加速之后，将用一个电极将离子束弯曲一个小角度，例如10°，从而有助于摆脱高能量的中性粒子。当离子的轨迹弯曲并向晶圆移动时，中性粒子保持直线运动（见图8.26)。有些注入系统将离子弯曲两次，并形成「S」形轨迹，这样可以获得纯度更高的离子源。当离子注入进入硅衬底时，会将正电荷带入晶圆表面。如果正电荷一直积累，就可能造成晶圆的带电效应。带正电荷的晶圆表面将倾向于排斥正离子，这样将引起所谓的射线放大和不均匀的离子注入，并导致整个晶圆上的掺杂物分布不均匀（见图8.27)。当表面电荷浓度过高时，电荷产生的电场可能高到足以使薄的栅氧化层击穿，从而将严重影响集成电路芯片的成品率。当积累的正电荷增加到某一程度时，会以电弧的形式放电，电弧的火花将在晶圆表面上造成缺陷。为了处理晶圆带电问题，需要使用大量带负电荷的电子中和晶圆表面的正离子。有几种方法可以使晶圆中性化:等离子体注入系统、电子枪和电子淋浴器都可以提供电子中和正离子，将晶圆的带电效应降到最低。图8.28显示了一个等离子体注入系统。在等离子体注入系统中，热电子从热的钨丝表面发射出来并通过直流电源加速。这些热电子将在反应室中与中性原子碰撞产生带有电子与离子的等离子体。等离子体中的电子会被吸入离子束中与离子一起流向晶圆表面，形成的等离子体将中和晶圆并将晶圆的带电效应降到最低。图8.29说明了一个电子枪系统。热电子由热灯丝产生并以高能量加速到电子靶上。电子与靶碰撞后产生大量二次电子，这些二次电子由靶的表面通过撞击离开表面后与离子束一起流向晶圆中和晶圆表面的正离子。晶圆处理器最重要的作用是在整个晶圆表面形成均匀的离子注入。离子束的直径大约为25mm(约1in)。通常需要移动离子束或移动晶圆，而且有些注入机中两者都需要移动，通过移动使离子束均匀扫描整个晶圆，晶圆直径可以是300mm 的大尺寸。对于旋转轮系统，旋转轮能高速自旋。当晶圆通过离子束时，离子会以离子束的弧形带状形式注入到晶圆的部分区域。转轮的中心会前后摆动，从而可以使离子束均匀地扫描到旋转轮的每个晶圆部分。图8.30说明了一个旋转晶圆的支撑系统。旋转圆盘与旋转轮类似，不同之处在于旋转圆盘不是摆动整个圆盘，而是用扫描离子束的方式在整个晶圆表面获得均匀的离子注入。图 8.31说明了旋转圆盘系统。另一种离子注入机晶圆处理系统如图8.32 (a）所示，它结合了离子束的扫描与晶圆的运动。当晶圆通过步进马达在y方向上移动时，改变扫描电极间所施加的偏压就可使离子束在x轴上来回扫描。整个晶圆可以利用这种方式均匀进行离子注入。这种扫描技术可以用在单晶圆的注入系统中。对于有些单晶片注入工艺里，不使用x方向的扫描光束带系统，而是使用宽带或丝带束，并同时向上或向下移动晶圆实现均匀的离子注入，如图8.32(b）所示。其他一些系统在y方向使用宽带束，并在x方向和晶圆一起摆动得到统一的离子注入。在先进的纳米集成电路制造中，单晶片离子注入系统已成为主流，如USJ源/漏形成，其中包括源漏扩展注入和源极/漏极离子注入工艺过程。晶圆夹具必须带有冷却系统以带走由高能离子轰击产生的热量，并控制晶圆的温度;否则晶圆温度可能太高而造成光刻胶的网状组织化。通常晶圆的夹具是水冷式的，而温度被控制在100℃以下。射线阻挡器位于射线的尾端，通常需要一个射线阻挡器或终点站吸收离子束能量。同时射线阻挡器也可以充当射束电流、射束能量和射束形状测量的离子束检测器。水冷式金属平板用于带走高能离子轰击所产生的热量，并阻挡标靶表面因带电离子快速停止而产生的×光辐射。图8.33说明了一个射线阻挡器。离子束阻挡器的底部有一个离子检测器列阵，可以用来测量离子的能量与能量光谱、射束的电流和射束形状。离子束中有很多电子，这些电子主要来源于电荷中性化系统，例如电子注入系统、电子枪或其他可产生大量电子的电子源。如果这些电子进入射线阻挡器并碰撞到法拉第检测器时，就会减小电流的读数值，影响射束电流测量结果的准确性。因为电子的螺旋转动半径较小，所以利用永久磁铁产生磁场防止电子进入射束阻挡器中。磁场也可以防止石墨表面发射的二次电子进入后段加速电极中造成损坏。
