low pressure chemical vapor deposition

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 1

Low Pressure Chemical Vapor Deposition

John Tsakirgis

September 3, 2009

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 2

Furnace Banks at CNS

Bank 1

Non Metal AnnealSilicon NitridePoly, AmorphousLow Temp Oxide

Bank 2

Metal AnnealWet/ Dry OxideTEOSFuture

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 3

Contamination

• My Responsibility

• User Responsibility

• The integrity of our films and tubes are  directly related to what materials we put 

inside.

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 4

Substrates

• Silicon wafers and samples

• Lower melting point metals

• Clean

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 5

Processes available at CNS

• Wet & Dry Oxidation ‐

Atmospheric

• TEOS Oxidation – LPCVD• Low Temp Oxidation – LPCVD

• Silicon Nitride – LPCVD• Poly, Amorphous – LPCVD

• Annealing ‐

Atmospheric

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 6

Important Applications for Deposited Films

• Gate Oxide• Gate “metal”

• Passivation• Resistive elements

– Resistors– heaters

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 7

Process Control Variables

• Pressure• Temperature

• Gas Flows• Time

• Some variables have no user access

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 8

Supporting Gas distribution Systems

Scrubber

Toxic GasMonitoring

Gas DeliveryCabinets

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 9

Pumping Stations for Furnaces

Heated Throttle Valve

pumps

ExhaustFlow

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 10

CVD-10 Wet Oxidation

• Allowed Materials

• Typical Film Thickness  

100 nm to 1 micron

• Batch size

4”/6" wafer

• Oxidation Rate

6.6 nm/min

• Oxidation Gases

H2 * 02 Pyrotechnic Torch

• Typical Gas flows

1000 sccm O2  

• Oxidation Pressure

Atmospheric

• Temperature

1100o

C

• Index of Refraction

1.45‐1.47

• Uniformity

< 1% thickness variation over 6" wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 11

CVD-10 Dry Oxidation

• Allowed Materials

whole Si wafer?• Typical Film Thickness  

100 nm to 1 micron• Batch size

4”/6" wafer• Oxidation Rate

2.4 nm/min• Oxidation Gases

Oxygen• Typical Gas flows

3000 sccm   O2• Oxidation Pressure

Atmospheric• Temperature

1100oC• Index of Refraction

1.45‐1.47• Uniformity

< 1% thickness variation over 6" wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 12

Dry Oxide? Nice uniform film - mostly

Whoopsy, a fingerprint!Not Good

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 13

CVD-11 TEOS

• Typical Film Thickness

100 nm to 1 micron

• Batch size

4”/6" wafer

• Oxidation Rate

13.3 nm/min

• Oxidation Gases

TetraEthylOrthoSilicate

• Typical Gas flows

preset canister flow

• Oxidation Pressure

400 mtorr

• Temperature

700‐750' C

• Index of Refraction

1.42 ‐

1.47

• Uniformity

< 1.5 % over 6" wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 14

CVD-8 Low Pressure Oxide (LPCVD)

• Low Temp Oxide

• Typical Film Thickness

100nm to 1 micron

• Batch size

4/6" wafers

• Deposition Rate

17nm/min

• Deposition Gases

O2 and SiH4

• Typical Gas flows

120 sccm / 85 sccm

• Deposition Pressure

300‐375 mtorr

• Temperature

450'C

• Index of Refraction

1.44‐1.47

• Uniformity

<3 % over 6" wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 15

Good and Bad Wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 16

CVD-6 Silicon Nitride

Stoichiometric

• Typical Film Thickness

100nm to 1.5 microns

• Batch size

4/6" wafers

• Deposition Rate

.5 ‐

3.5 nm/min

• Deposition Gases

Ammonia / Dichlorosilane

• Typical Gas Ratio

3 NH3 :1 DCS  75:25

• Deposition Pressure

250mtorr

• Temperature

770'C

• Index of Refraction

1.98 ‐

2.1

• Uniformity

< 1.5% over 6" wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 17

Nice uniform film

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 18

CVD 6 Silicon Nitride

Low Stress

• Typical Film Thickness

100nm to 1.5 microns

• Batch size

4/6" wafers

• Deposition Rate

9.4nm/min

• Deposition Gases

Ammonia / Dichlorosilane

• Typical Gas flows

1 NH3 : 3 DCS  25/75

• Deposition Pressure

200mtoor

• Temperature

825 –

835’

C

• Index of Refraction

2.0 ‐

2.3

• Uniformity

< 1.5% over 6" wafer

• Stress

< 200 MPa

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 19

CVD 7 Standard Poly

• Poly silicon

• Typical Film Thickness

100 nm to 2 microns

• Batch size

4”/6" wafers

• Deposition Rate

10nm/min

• Deposition Gases

Silane

• Typical Gas flows

70‐80 sccm

• Deposition Pressure

200‐275 mtorr

• Temperature

600‐650'C

• Index of Refraction

4.0

• Uniformity

<1.5% over 6" wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 20

CVD 7 Doped Polysilicon

Phosphorus / Diborane

doping

• Batch size

4/6" wafers

• Deposition Rate

13 nm/min

• Deposition Gases

silane and % phos/diborane

• Typical Gas flows

100 sccm   30 sccm

• Deposition Pressure

300 mtorr

• Temperature

625' C

• Index of Refraction

4

• Uniformity

<1.5% over 6" wafer

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 21

CVD 7 Amorphous

Amorphous

• Typical Film Thickness

100nm to 2 microns

• Batch size

4/6" wafers

• Deposition Rate

8‐11nm/min

• Deposition Gases

Silane

• Typical Gas flows

100 sccm

• Deposition Pressure

300 mtorr

• Temperature

< 560'C

• Index of Refraction

N/A

• Uniformity

N/A

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 22

CVD- 5 & 9 Annealing Tubes

Temperatures

1100’C

Gases

O2, N2 and Forming Gas

Uniformity

<1% over 6”

wafer oxidation in Non 

Metal tube

Metal and Non Metal available

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 23

CVD 7 Nanotube Growth

Tubes

• Typical Film Thickness

100nm to 2 microns

• Batch size

4”/6" wafers

• Deposition Rate

8‐11nm/min

• Deposition Gases

Silane

• Typical Gas flows

100 sccm

• Deposition Pressure

300 mtorr

• Temperature

< 560'C

• Index of Refraction

N/A

• Uniformity

N/A

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 24

Initial Nanowire Growth – the start

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 25

CVD-4 Lindbergh Furnace

• Capable of Annealing• Oxidation• Forming Gas 

available

• Training available  immediately

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 26

Lindberg Tube with Thermocouple

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 27

Lindberg control panel

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 28

Some Projects

• Working with Professor Loncar in trying to find a solution to his poor 

optical properties with Silicon Nitride 

• Helping Professor Crozier with his development of Nanowire Technology.• Working to establish a TEOS/Nitride stack • Developing doping processes for  poly• Working with Mughees Khan in developing low‐stress in Silicon Nitride• Annealing to activate regions after Implants• Manufacturing quartzware for sample processing• Finalize documentation for clean station, operations and training protocol• Proposal in 2 weeks to initiate open use

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 29

Cleaning Wafers is good! Here’s where to start

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 30

Film Characterization Thickness & Index of Refraction

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 31

Film Characterization Stress Measurement

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 32

Film Characterization Thickness Measurement – choices!

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 33

Film Characterization Resistivity

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 34

LPCVD – Current Status

• Assisted Use Tool

• User certification for self‐use starting soon.

• Recipe  and Substrate Verification

• 25 and 50 wafer capability of 4/6”

wafers

9/3/09 J. Tsakirgis, CNS Nanofab 35

LPCVD - Going Forward

• Being Innovative

• Don’t be Shy ‐‐‐‐‐

Initiate Dialogue ‐‐‐‐‐

Ask Questions

• Let’s make changes

• Introduce yourself

and what your trying to accomplish and 

let me see if I can help.