Simplified Treatment of Transient Doping Behaviour in CVD(I)

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.

Simplified treatment of transient doping behaviour in CVD (II)

Arnold

1987

On the deposition mechanism of boron in silicon CVD epitaxy

Kühne¹,

Malze²

1987

The deposition mechanism of boron doping in CVD silicon epitaxy has been investigated by exposing silicon substrates t o B,H,-H, doping gas mixtures a t epitaxy temperatures and examining the effect by dopant profile measuring in an afterwards intrinsically in-situ deposited epitaxial silicon layer. It has been shown that boron is deposited increasing its concentration on the surface linearly with prolonged exposition time and desorbed by purging the surface in pure hydrogen. I n the latter case its content decreases linearly proportional to the predeposited concentration. The desorbed boron builds up a secondary doping source which maintains a parasitic boron flow for reincorporation during following layer growth.Es wurde der Mechanismus des Boreinbaus wiihrend der Abscheidung von epitaktischen CVD Siliciumschichten untersucht, indein Siliciumsubstrate der Einwirkung von B,H,-H, Dotiergasrnischungen bei Epitaxietemperaturen ausgesetzt wurden. Der erreichte Effekt wurde durch die Auswertung der unmittelbar anschlieaend in einer dunnen und intrinsisch abgeschiedenen Siliciumschicht erhaltenen Dotierungsprofile gemessen. Danach nimnit die Oberfliichenkonzentration von Bor in der Vorabscheidungsphase linear mit der Expositionszeit zu und wiihrend einer Spultemperung in reinem Wasserstoff linear proportional zur Vorabscheidungskonzentration ab. Das desorbierte Bor gibt AnlaB zur Bildung einer Sekundarquelle die wiihrend einer nachfolgenden Sehichtabscheidung einen parasitiiren Boreinbau verursacht. 106.

The current understanding of epitaxial silicon layer doping in the light of modelling and theory development (X). Once more autodoping mechanism

Kühne¹

1990

Special disadvantages associated with interpreting and describing the course of autodoping profiles by means of applying the "consequent" as well as the "improved" conception of dopant incorporation will be discussed. In order to find a solution of the problem special lateral autodoping experiments were carried out. Substrate wafer surfaces were exposed to a defined arsine flow under epitaxy-near conditions but without the supply of silane. After the arsine flow had been stopped a thin epitaxial layer was intrinsically deposited on the exposed surfaces and after that, the dopant dose incorporated measured. In this way a time-dependent increase of dopant dose in the layer with adsorption-like behaviour and a growth rate dependent increase with gas-phase-doping-like behaviour has been confirmed.From the results desorption rate constant as well as its temperature dependence has been evaluated and a mechanism of autodoping concluded. The latter is characterized by both adsorption and desorption of dopants. Adsorption is expected to take place mainly outside of substrate wafer surface before layer growth begins. Desorption from those adsorption regions proceeds after layer growth has started leading to a time-dependent, decaying partial pressure of dopants in the gas. That partial pressure of dopants regulates autodoping.Es werden die besonderen Nachteile diskutiert, die bei dem Versuch, den Verlauf von Autodopingprofilen mit Hilfe des ,,konsequenten" beziehungsweise ,,verbesserten" Konzepts des Dotandeneinbaus zu interpretieren und zu beschreiben, auftreten. Weiterhin werden Experimente zum lateralen Autodoping beschrieben, mit deren Hilfe das vorliegende Problem gelost werden soll. Die Oberflache von Substratscheiben wird unter epitaxienahen Bedingungen, jedoch ohne Einspeisung von Silan, einem definierten Arsinstrom ausgesetzt. Im direkten AnschluD daran 1aDt man eine diinne Epitaxieschicht auf den exponierten Substratoberflachen intrinsisch aufwachsen und mi& anschlieknd die in die Schicht eingebaute Dotandendosis. Auf diesem Wege werden eine zeitabhangige Zunahme der Dosis mit vergleichsweise adsorptionsspezifischem Verhalten und eine schichtwachstumsratenabhangige Zunahme der Dosis mit vergleichsweise schichtdotierungsspezifkchem Verhalten nachgewiesen.Aus den Ergebnissen werden die GroDe der Desorptionsratenkonstanten und ihre Temperaturabhangigkeit bestimmt. Zusatzlich wird ein Autodopingmechanismus vorgeschlagen, der sowohl Dotandenadsorption als auch Dotandendesorption voraussetzt. Dabei wird angenommen, daB Dotandenadsorption vor Beginn der Schichtabscheidung bevorzugt aukrhalb der Substratoberflache stattfindet und nach Beginn der Schichtabscheidung infolge Desorption aus diesen Gebieten ein zeitlich abklingender Partialdruck von Dotanden im Gas aufrecht erhalten wird. Dieser Dotandenpartialdruck steuert das Autodopinggeschehen. ARNOLD, H.: Cryst.