離子注入是指當真空中有一束離子束射向一塊固體材料時，離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現(xiàn)象叫做濺射;而當離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈了回來，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射;另外有一種現(xiàn)象是，離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來，并最終停留在固體材料中的這一現(xiàn)象叫作離子注入。
近期，中國電子科技集團自主研發(fā)高能離子注入機成功實現(xiàn)百萬電子伏特高能離子加速，離子注入機是芯片制造中的關(guān)鍵裝備。高能離子注入機是離子注入機中技術(shù)難度最 大的機型。電科裝備將在年底前推出首臺高能離子注入機，實現(xiàn)我國芯片制造領(lǐng)域全系列離子注入機自主創(chuàng)新發(fā)展，并為全球芯片制造企業(yè)提供離子注入機成套解決方案。
離子注入機是高壓小型加速器中的一種，應(yīng)用數(shù)量最 多。它是由離子源得到所需要的離子，經(jīng)過加速得到幾百千電子伏能量的離子束流，用做半導體材料、大規(guī)模集成電路和器件的離子注入，還用于金屬材料表面改性和制膜等。
離子注入機是集成電路制造前工序中的關(guān)鍵設(shè)備，離子注入是對半導體表面附近區(qū)域進行摻雜的技術(shù)，其目的是改變半導體的載流子濃度和導電類型。離子注入與常規(guī)熱摻雜工藝相比可對注入劑量、注入角度、注入深度、橫向擴散等方面進行精 確的控制，克服了常規(guī)工藝的限制，提高了電路的集成度、開啟速度、成品率和壽命，降低了成本和功耗。離子注入機廣泛用于摻雜工藝，可以滿足淺結(jié)、低溫和精 確控制等要求，已成為集成電路制造工藝中必不可少的關(guān)鍵裝備。
離子注入機由5部分組成：
1、離子源：離子注入機利用離子源中燈絲產(chǎn)生的熱電子在電場的作用下轟擊氣體分子，使之電離。待注入的雜質(zhì)源如果是氣態(tài)，便可以直接引入到離子源的電場中，如果是固態(tài)，則還需加熱蒸發(fā)，變?yōu)闅庀嗪笠氲竭@個電場中。氣相的雜質(zhì)源在電場中被電離后變成為離子(即帶電的原子或分子)。
2、離子引出和質(zhì)量分析器：所有帶正電的離子被離子源陽極的正壓排斥從一個狹縫中被引出，此時等離子體中的電子被陰極排斥而被阻止，由此形成了正離子組成的離子束。熱電子轟擊雜質(zhì)源氣體分子會產(chǎn)生多種離子，比如三 氟 化 硼氣體源，在離子源中會形成和等多種離子，每種離子的質(zhì)荷比不同，在通過質(zhì)量分析器的分析磁鐵時，離子的運動軌道會不同，離子注入機的質(zhì)量分析器可以將所需要的雜質(zhì)離子從混合的離子束中分離出來。
3、加速管：要使離子能夠獲得更大的能量，正離子從質(zhì)量分析器出來后還要通過加速管的高壓得到所需要的速度。加速管是由一系列介質(zhì)隔離的電極組成，電極上的負電壓依次增大。當正離子進入到加速管后，各個負電極為離子加速，離子的運動速度是各級加速的疊加，總的電壓越高，離子的運動速度越快，即動能越大。
4、掃描系統(tǒng)：離子注入機的掃描系統(tǒng)構(gòu)成了離子束與硅片之間的相對運動，為了使硅片上的雜質(zhì)呈均勻分布，避免離子長時間的轟擊局部一點過熱，造成不可恢復的損傷，硅片的離子注入都采用掃描方式。有兩種基本的掃描方式：機械式掃描和電磁式掃描。機械式掃描采用的是硅片移動的方法，即靶盤帶動硅片運動。電磁式掃描是用電磁場將離子束偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)掃描。也有的注入機采用混合方式，即機械和電磁兩種方式相結(jié)合。
5、工藝腔：包括放置硅片的靶盤、掃描系統(tǒng)、帶真空鎖的硅片裝卸終端臺、硅片傳輸系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。
離子注入的應(yīng)用
在電子工業(yè)中，離子注入成為了微電子工藝中的一種重要的摻雜技術(shù)，也是控制MOSFET閾值電壓的一個重要手段。因此在當代制造大規(guī)模集成電路中，可以說是一種必不可少的手段。
離子注入的方法就是在真空中、低溫下，把雜質(zhì)離子加速(對Si，電壓≥105 V)，獲得很大動能的雜質(zhì)離子即可以直接進入半導體中;同時也會在半導體中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此在離子注入后需用低溫進行退火或激光退火來消除這些缺陷。離子注入的雜質(zhì)濃度分布一般呈現(xiàn)為高斯分布，并且濃度最 高處不是在表面，而是在表面以內(nèi)的一定深度處。
離子注入的優(yōu)點是能精 確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝(可防止原來雜質(zhì)的再擴散等)，同時可實現(xiàn)自對準技術(shù)(以減小電容效應(yīng))。
在工藝流程中，光刻的下一道工序就是刻蝕或離子注入。在做離子注入時，有光刻膠保護的地方，離子束無法穿透光刻膠;在沒有光刻膠的地方離子束才能被注入到襯底中實現(xiàn)摻雜。因此，用于離子注入工藝的光刻膠必須要能有效地阻擋離子束。
集成電路前道制程中有許多光刻層之后的工藝是離子注入，這些光刻層被稱為離子注入光刻層(implant layers)。離子注入完成后，晶圓表面的光刻膠必須被清除掉，清除離子注入后的光刻膠是光刻工藝中的一個難點。對清除工藝的要求包括：
(1)干凈徹底地去除襯底上的光刻膠;
(2)盡量避免襯底損傷表面，特別是離子注入?yún)^(qū)域(即沒有光刻膠的區(qū)域);
(3)盡量避免對器件(如柵極的金屬)造成傷害。
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