离子注入高压电源能量时空分布控制

一、工艺需求与控制难点
离子注入是半导体掺杂的核心工艺，通过将特定离子（如 B、P、As）加速至 1keV-1MeV 能量并注入晶圆，形成精确的掺杂区域。能量时空分布不均会导致两大问题：一是 “时间分布不均”（电压波动）引发离子能量偏差，导致结深偏差超过 5%；二是 “空间分布不均”（离子束偏转）导致晶圆边缘与中心掺杂浓度差异，影响晶体管性能一致性。对于 7nm 及以下制程，离子能量稳定性需控制在 ±0.1%，空间分布均匀性需达 ±2%。
二、能量时空分布控制技术
1.闭环能量反馈控制
电源输出端串联高精度能量分析仪（误差 <0.001%），实时采集离子束能量信号并转化为电压反馈值。通过 FPGA 控制的数字 PID 算法，调整高频逆变模块的开关频率（50-200kHz），将输出电压波动控制在 ±0.1% 以内。同时，采用 “预稳压 + 主稳压” 双级结构，前级抵消电网 ±10% 的电压波动，后级实现精细调节。
1.时空同步与束流补偿
时序控制上，采用时钟同步技术，使高压电源、离子源触发信号、晶圆扫描系统的同步误差小于 10ns，确保离子注入时序与晶圆运动精准匹配；空间控制上，将高压电源与静电透镜电压调节联动 —— 通过监测晶圆边缘离子束电流（精度 1nA），动态调整静电透镜聚焦电压，补偿离子束在晶圆边缘的能量损失，使晶圆表面离子能量分布均匀性达 ±2%。
三、工艺应用成效
在 7nm 逻辑芯片掺杂工艺中，该控制方案使晶圆不同位置的结深偏差从 8% 降至 2%，掺杂浓度均匀性提升至 ±1.5%；晶体管漏电流差异缩小至 10% 以内，开关速度稳定性提升 15%，芯片良率从 75% 提升至 90%，完全满足先进半导体制程对离子注入精度的要求。