离子注入（Ion Implantation）是半导体制造中的关键工艺之一，通过高能离子束轰击半导体材料，精确控制掺杂浓度和分布，从而调节材料的电学特性。以下是离子注入的主要作用及其应用：

1. 离子注入的核心作用

(1) 可控掺杂

将特定杂质（如硼B、磷P、砷As）注入硅衬底，形成P型或N型半导体，构建晶体管源/漏区、阱区等。

优势：相比扩散工艺，离子注入能精确控制掺杂浓度和深度（剂量可调至10¹¹~10¹⁶ ions/cm²，深度达纳米级）。

(2) 调节导电性能

通过掺杂改变材料的电阻率，例如：

高浓度注入：形成低电阻接触（如MOSFET的源/漏极）。

低浓度注入：调整阈值电压（Vth）或形成轻掺杂漏极（LDD）。

(3) 形成隔离结构

氧/氮离子注入：用于制备SOI（绝缘体上硅）衬底中的埋氧层（BOX）。

高能注入：实现器件间的电学隔离（如CMOS工艺中的阱隔离）。

(4) 材料改性

非电学应用：

增强材料硬度（如表面强化处理）。

改变光学特性（如硅中的氦离子注入可形成光波导）。

2. 离子注入在半导体制造中的典型应用

(1) CMOS晶体管制造

阱区注入（Well Implantation）：形成P阱/N阱，隔离NMOS和PMOS。

阈值电压调整（Vth Adjustment）：通过浅层注入调节晶体管开启电压。

源/漏极注入（Source/Drain Implantation）：高剂量掺杂降低接触电阻。

(2) 先进工艺节点（FinFET、GAA）

超浅结（Ultra-Shallow Junction, USJ）：3nm以下制程需极浅注入（<10nm），避免短沟道效应。

晕环注入（Halo Implantation）：抑制漏致势垒降低（DIBL）。

(3) MEMS与传感器

压阻层注入：为MEMS压力传感器制造高灵敏度应变电阻。

绝缘层注入：在SOI-MEMS中定义可动结构。

(4) 功率器件与宽禁带半导体

SiC/GaN器件：通过离子注入形成P型区（SiC中Al注入）或终端保护结构。

3. 离子注入的关键参数

参数说明

离子种类 B⁺（P型）、P⁺/As⁺（N型）、O⁺/N⁺（隔离）等。

能量（KeV~MeV） 决定注入深度（低能：浅结；高能：深结或埋层）。

剂量（ions/cm²） 控制掺杂浓度（低剂量：轻掺杂；高剂量：重掺杂）。

角度倾斜注入 避免沟道效应（如FinFET中需多角度旋转注入）。

4. 离子注入的挑战与发展

(1) 工艺挑战

损伤修复：高能离子会破坏晶格，需退火（RTA）激活杂质并修复损伤。

超浅结控制：极低能量注入（<1KeV）需避免离子散射。

(2) 新技术方向

等离子体浸没注入（PLAD）：适用于三维结构（如深孔掺杂）。

分子离子注入（如B₁₈H₂₂）：提高注入效率，减少晶格损伤。

5. 总结

离子注入是半导体制造的基石工艺，其核心作用包括：

✅ 精确掺杂（构建PN结、调节电学性能）

✅ 材料改性（隔离、光学/机械特性调控）

✅ 支持先进器件（FinFET、MEMS、功率半导体）

随着制程微缩和第三代半导体（SiC/GaN）的兴起，离子注入技术持续向超浅结、低损伤、高均匀性方向发展，推动半导体性能的极限突破。