Doping process control in silicon epitaxy (I). System identification

Theoretical expressions are developed suggesting how t>he non-steady state dopant incorporation is influenced by the parameters of the layer deposition process. Expressions for the transient doping profile are dealt with taking into account two different mecha,nisms of the overall rate controlling step. The one is based on the assumption made by REIF and .DUTTON that the adsorption step, which is followed by a solution equilibriiim, is the rate controlling step, the other is based on the idea that the dopant incorporation reaction and its backreaction, following aft,er the adsorption of dopant particles, arr contxollirig the overall incorporation. l l n r t,heoret,incho %nsa.mmenhang zwinrhen dem inst,ation&ren I)ot,andeneinhaii iind den T'rozeljparametern der Schichtabscheidung wird dargestellt. Fur den Ubergangsprofilvrrlauf werden entsprechende Gleichnngen hergeleitet. nabei werden zwei verschiedene Miiglichkeiten fiir die die Gesamtgeschwindigkeit bestimmende Teilrcaktion in I3etracht gezogen..Es handelt sich einmal um die Annahme von REIB und DUTTON, da13 der Adsorptionsschritt, dem ein Losungsgleichgewicht nachgeordnet ist, geschwindigkeitsbestimmend ist,, iind ziim anderen urn die Vorstellung, da13 eine auf den Adsorpt,ionsschrit,t fnlgrndr Einhaureaktion und deren Riickreaktion den Gesnmtoinbnii regulierrn.

Doping of epitaxial CVD silicon with arsenic or phosphorus (II). Non‐steady state conditions

Kühne¹

1985

Simplified Treatment of Transient Doping Behaviour in CVD(I)

Arnold

1986

J'hysiocheniical reasons are discussed for the delayed response of doping concentrations within epitaxial semiconductors (Si and 111-V compounds) to changes of the input partial pressure of dopant species for CVl> processes. A simplified circuit representation for doping is used that takes care of five serial process steps, tlie first three of which are the topic of this work (Part I).Among the corresponding storage phenornena in which the gas phase is involved, those with adsorptional influences are to be expected as most important for transient behaviour.Storage of dopant species a t tlie Eemiconductor surface is included into the circuit representation, as it has been done by REIF et al. for silicon doping. Moreover, adsorption a t the reactor wall is represented approximately, assuniing equilibrium with the gas phase.I'hysikochemische Ursechen fur das verzogerte Reagieren der Dotiefungskonzentrationen in epitaktischen Halbleitern (Si und 111-V-Verbindungen) auf Anderungen des Einspeise-Partioldrucks der Dotierungssubstanz bei der chemischen Dampfablagerung werden diskutiert. Dazu wird eine vereinfachte Ersatzschaltung mit funf seriellen Schritten verwendet, von denen die ersten drei den Gegenstand der vorliegenden Arbeit (Teil I) bilden.Unter den entsprechenden Speichervorgiingen, an denen die Gasphase beteiligt ist, durften die jenigen niit adsorptiven Einflussen a m wichtigsten fur das ubergangsverhalten sein. Die Speicherung von an der Halbleiteroberflache adsorbierten Dotierungsspezies wird wie bei REIF e t al. in die Ersatzschaltung einbezogen. Dariiber hinaus wird die Adsorption an tler Reektorwand niiherungsweise unter der Annahnie eines Gleichgewichts mit der Gasphase erfal3t.

The current understanding of epitaxial CVD silicon doping in the light of modelling and theory development (I) empirical foundations and process controlling equations

Kühne¹

1987

The paper sequently published in five parts deals with the logical interdependence between the technological process of silicon layer doping and the situation of its being empirically governed on the one hand, and its being theoretically explained on the other. The present first part of the paper concerns a brief description of epitaxial CVD silicon layer deposition and layer doping, the main controlling parameters of the latter, and how doping is governed by these parameters. The empirical basis knowledge linking the measuring control values of the process to specific layer properties in the form of control graphs, are transformed to more general empirical control equations of layer doping. Finally, representing the doping process analogous to cybernetic systems, an empirically based and nearly complete model equation is presented.I n einer funfteiligen Veroffentlichung wird eine ubersicht gegeben iiber die logische Verkniipfung des technologisclien Prozesses der Dotierung epitaktischer Siliziuinschichten und der empirischen ProzeBfuhrung auf der einen und der theoretischen Erklarung des Prozesses auf der anderen Seite. I m ersten Teil der Veroffentlichung werden Schichtabscheidung und Schichtdotierung kurz beschrieben, sowie die Hauptsteuerparameter und ihre Wirkung auf die beeinfluBten Schichteigenschaften erlautert. Die empirisclien Basiskenntnisse, welche die SteuergroBen und die entsprechenden Schichteigenschaften in Form von Steuerkurven rniteinander verkniipfen, werden zu empirisclien Steuergleichungen des Dotandeneinbaus verallgemeinert. AbschIieBend wird aus der Analogiebetrachtung des Schichtdotierungsprozesses zu kybernetischen Systemen eine nahezu vollstandige em. pirische Modellgleichung gewonnen.