由于传统扩散技术的限制性，现代工艺大量使用了离子注入。 离子注入机是一种特殊的粒子加速器，用来加速杂质原子，使他们能穿透硅晶体到达几微米的深度。（16 注入深度和注入能量有关。 本节讨论的注入涉及到的能量不超过几百keV。一些现代CMOS工艺使用multi-MeV注入来达到更深的地方（5－10μm））。离子注入不需要高温，所以一层光刻胶也能作为注入杂质的mask。注入比传统的沉积扩散有更好的杂质浓度和特性控制。但，大注入也需要相应的长注入时间。离子注入机是很复杂且昂贵的器件。许多工艺使用扩散和注入结合的方法降低总的成本。
图2.20 是离子注入机的简图。离子源提供了离子化的杂质原子，这些原子将在缩小的线性加速器的电场中被加速。Magnetic analyzer会挑出所需种类的离子，一对偏转板将扫描最终穿过wafer的离子束。整个系统都处于高真空中，所以整个设备是密封在钢housing中。
图2.20 离子注入机的简图（17 这个方案只是其中的一种；参见Anner, p. 313ff.）
一旦离子进入硅结构内，他们立刻由于和周围原子的碰撞而开始减速。每次碰撞都把运动中的离子的动能转移到固定的原子上。离子束一边快速传播一边散发出能量，因为注入以一种outdiffusion的方法展开（四散）。也有原子因为碰撞而被撞出结构，因为大量的结构损坏只有通过在适度的温度（800℃到900℃）里保持几分钟退火wafer才能修复。硅原子变成可移动的了，在注入区域边缘的未碰撞的硅晶体结构则作为晶体生长的种子。损坏从注入区朝着中央慢慢anneal out。如果接下来wafer被加热到非常高的温度，离子注入的杂质会因为热扩散而重新分布。因此，可以通过先注入所需的杂质然后drive他们向下到设定的结深度来制造深的轻掺杂diffusion。
离子注入的杂质的浓度和注入计量有直接的比例关系，注入计量又等于离子束电流和时间的乘积。计量可以精确监测和控制，它比传统沉积技术能提供更好的可重复性。掺杂特性由单独的离子得到的能量决定，一个叫做注入能量的量。低能量的注入是非常浅的，而高能量注入实际上完成了大多数硅表面下杂质原子注入的工作。离子注入能用来把subsurface区反转成buried layer。由于注入能量的实际限制，这些buried layer通常都非常浅。
离子注入有点各向异性。注入边缘，特别是低能量的浅注入，还不如热扩散传播的厉害。这种特点在self－aligned结构的生产中极大的提高了MOS晶体管的性能。图2.21说明了离子注入生产self-aligned MOS 源/漏区的过程。一层多晶硅已经沉积，在薄gate oxide的顶部也已刻出图案。多晶硅不仅形成MOS晶体管的gate 电极而且同时作为一个注入mask。多晶硅阻止了gate电极下的注入，形成了精确对齐的源和漏区。Source和drain对gate的对齐只受限于离子束扩散时引起的小量straggle。如果没有使用self-aligned 注入，gate和source/drain之间可能发生光刻不对齐，最终的overlap 电容可能降低MOS晶体管的开关速度。
图2.21 离子注入形成的self-aligned source 和drain 区
当从某个角度观察硅结构时，硅原子列之间的空隙，叫做channels，就变得可见了。只要晶体稍微转过一点点，这些就消失不见了。当垂直观察时，（100）和（111）硅表面里都能看到channel。如果离子束垂直撞击（100）或（111）表面，在散射开始前离子就能进入深层的晶体。最终的掺杂分布主要依赖于离子束入射的角度。为了避免这个难题，大多数注入机以跟wafer成大约7°的角度投射离子束。
