离子注入机是半导体制造过程中关键的精密设备，主要用于将特定元素的离子注入到半导体晶圆（如硅片）中，从而改变晶圆局部区域的电学特性（如掺杂浓度、导电类型等）。其工作原理可概括为离子产生→离子引出与加速→质量分析与筛选→离子束传输与扫描→离子注入到晶圆五个核心环节。

一、离子产生（离子源） 原理：通过电离过程将需要注入的元素（如硼 B、磷 P、砷 As、氩 Ar 等）转化为离子态。 方法： 热电离：加热固态使其蒸发，再通过电子轰击电离。 气体电离：对气态物质（如 BF3、PH3）进行电子轰击，使气体分子电离为离子（如 BF₂⁺、P⁺）。

二、离子引出与加速（加速电场） 原理：利用电场加速将离子源产生的离子引出，并赋予其一定的动能。

三、质量分析与筛选（磁分析器） 原理：利用磁场偏转原理筛选出目标离子（如排除杂质离子或同元素的不同同位素）。

四、离子束传输与扫描（束流控制） 原理：通过电磁透镜和扫描系统控制离子束的形状、方向和位置，使其均匀覆盖整个晶圆表面。

五、离子注入到晶圆（靶室与晶圆台） 原理：经过筛选和扫描的离子束最终轰击到晶圆表面，离子通过动能沉积进入晶圆内部，形成掺杂层。

离子注入机通过 “离子产生→加速→质量筛选→扫描→注入” 的全流程控制，实现了对半导体晶圆的精准掺杂，是集成电路制造中不可替代的关键设备。其技术难点在于高能量精度、高束流纯度、高均匀性扫描以及复杂的真空和控制系统集成。

硼（B）受主杂质（P 型）：

1. CMOS 逻辑芯片核心掺杂 PMOS 源漏极（P + 区）：低能量离子注入（如 5~20 keV）形成浅结（<10nm），用于 7nm 以下先进制程，抑制短沟道效应。
2. P 阱形成：高能注入（100~500 keV）在硅衬底中创建深 P 阱（结深 1~3μm），隔离 NMOS 器件，掺杂剂量约 1e13~1e14 ions/cm²。
3. 存储芯片阈值电压调控 NAND Flash 浮栅单元：通过硼注入调整存储单元的阈值电压分布。
4. DRAM 沟道掺杂：轻掺杂硼（剂量～1e12 ions/cm²）调节 MOSFET 阈值电压，降低待机漏电流。

磷（P）施主杂质（N 型）：

1. NMOS 源漏极（N + 区）：中能量注入（20~50 keV）形成导电沟道，掺杂浓度可达 1e20 cm⁻³，需快速热退火激活。
2. 功率 MOSFET 源极：高能注入（>100 keV）在 Si 或 SiC 衬底中形成低阻 N + 源极，降低导通电阻。
3. DRAM 埋层字线（WL）：磷扩散形成 N 型埋层，提升字线导电性，适用于大容量存储芯片（如 14nm DDR5）。
4. 双极型晶体管（BJT）发射极：磷扩散形成 N + 发射极，与基区（硼掺杂）构成 PN 结，用于射频放大或功率开关器件。

砷（As）施主杂质（N 型）：

1. 先进制程 NMOS 源漏扩展（SDE）：低能量注入（<10 keV）形成超浅结（结深 < 5nm），用于 3nm 以下 FinFET/GAA 器件，抑制源漏穿通。
2. 高速逻辑芯片埋层掺杂：在硅衬底中注入砷形成深埋 N 型层（如 SOI 衬底的埋氧层下方），用于射频器件的隔离或导电层。
3. InGaAs 器件源漏极：在 InGaAs 衬底中注入砷形成 N + 接触，利用其与 III-V 族材料的晶格匹配性，降低接触电阻（如 5G 毫米波芯片）。

氟（F）界面调控：

1. FinFET/GAA 栅极工程：在金属栅极下方注入氟离子（能量～1 keV，剂量～1e14 ions/cm²），中和界面陷阱电荷，优化阈值电压均匀性（如 Intel 10nm 工艺）。
2. 此外可使用BF2 注入实现B超浅结注入。