3Dデバイスエディタとプロセスエミュレーション

プロジェクトのコピー

小技などの　 圧縮済みのプロジェクトを読み込む方法 で読み込んだプロジェクトを使います。

とりあえず node 1 を走らせて見てください。

(時々sdeをbatch modeで作ってもSentaurus Structure EditorのGUIが立ち上がることがあるのでその時は消してください。プロジェクトが死ぬので、SDEを右クリックproparty からbatchが選択されていることを確認して Apply -> OK 。再度走らせる。)

Pixel3D _dvs.cmdの解説

まずは長さや厚み等の定義

(sde:clear)

(define TSUB 150.0 )

(define Lpixel_pitchX 50.0)
(define LNplus_sizeX 30.0)

(define Lpixel_pitchY 50.0)
(define LNplus_sizeY 30.0)


(define NX @NX@)
(define NY @NY@)


(define LX (* NX Lpixel_pitchX))
(define LY (* NY Lpixel_pitchY))

(define Dop_PSub 1e12)
(define Dop_Nplus 1e19)
(define Dop_PPlus    1e+19)
(define Nplus_Depth 0.8)

3Dのデバイスを製作するにはいろんな方法があります。ここではデバイスエミュレーションという方法を紹介します。gdsファイルを読み込んだりいろんなことができるからです。

デバイスシミュレーションほど細かい指定はできませんが、deposit やetchingが可能です。

まずは、マスクを作っていきます。

基本的には list と呼ばれる数字の配列で (x0 y0 x1 y1 x2 y2 x3 y3) のように点(x,y)を作り直線で結んだ形になります。

(define nplist (list))

(
do ((i 0 (+ i 1))) ((>= i NY))
  (
  do ((j 0 (+ j 1))) ((>= j NX))
    (define ff (list 
      (+ (* j Lpixel_pitchX) (* 0.5 (- Lpixel_pitchX LNplus_sizeX))) 
      (+ (* i Lpixel_pitchY) (* 0.5 (- Lpixel_pitchY LNplus_sizeY)))
      (+ (* j Lpixel_pitchX) (* 0.5 (+ Lpixel_pitchX LNplus_sizeX))) 
      (+ (* i Lpixel_pitchY) (* 0.5 (- Lpixel_pitchY LNplus_sizeY)))
      (+ (* j Lpixel_pitchX) (* 0.5 (+ Lpixel_pitchX LNplus_sizeX))) 
      (+ (* i Lpixel_pitchY) (* 0.5 (+ Lpixel_pitchY LNplus_sizeY)))
      (+ (* j Lpixel_pitchX) (* 0.5 (- Lpixel_pitchX LNplus_sizeX))) 
      (+ (* i Lpixel_pitchY) (* 0.5 (+ Lpixel_pitchY LNplus_sizeY)))
    ))
    (set! nplist (append nplist (list ff)))
  )
)

(sdepe:generate-mask "MaskNplus" nplist )

何を作っているのか見当は付きますか？ NX x NY のピクセルマトリックスを作っていてそれぞれのピクセルにNplusのサイズの正方形をlistにしてそこから generate-maskでマスクを作っています。。

(sdegeo:create-cuboid (position 0 0 0) (position LX LY TSUB) "Silicon" "Substrate")
(sdepe:pattern "mask" "MaskNplus" "polarity" "dark" "material" "Resist" "thickness" 1  "type" "aniso" "algorithm" "sweep" )

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat0_Res_bnd.tdr")

ここで実際にものを置いていきます。最初のsdegeo:create-cuboidは直方体を作っています。

そこに先ほど作ったMaskNplusというのをpatterningしています。N+のドープをするためにドープしたくない部分をレジストで覆います。

sdepe:patternというのは

"mask" : マスクを指定

"polarity" : dark or lightを指定します。半導体プロセスと一緒でlightのマスクはマスク部分が透明、darkはマスク以外の部分が透明のマスクです。

"material" : patterningをするマテリアルです。今回はレジスト

"type" : iso or anisoの選択です。したが平らなのであまり関係ないですが、下図のような違いがあります。

"algorithm" : 表面のoffsettingのアルゴリズム。 anisoの場合は sweepのみ。

n1_pat0_Res_dvs.tdr というファイルがある出来ていると思うのでSVidualで確認してみる。

(sdedr:define-gaussian-profile "Nplus" "PhosphorusActiveConcentration" "PeakPos" 0  "PeakVal" Dop_Nplus "ValueAtDepth" Dop_PSub "Depth" Nplus_Depth "Gauss"  "Factor" 0.8)

(sdepe:implant "Nplus" "flat")

(entity:delete (find-material-id "Resist"))

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat1_rmRes_bnd.tdr")

ここで先ほど作ったレジストの形にimplantを作成しています。

sdedr:define-gausian-profile でガウス分布に従うリンのドープを設定しています。

引数は大体想像がつくと思いますが、FunctionとFactorは側面の形状を決めています。

implantを作った後はresistを取っ払ってしまっています。ここまでのデバイスを n1_pat1_rmRes_bnd.tdrに保存しています。

見てみるとresistが消えています。ドープをしましたがこれはメッシュを切るまでわかりません...

最後の(sde:build-mesh "snmesh" " " "n@node@_msh")　saveの直前に書いて残りをコメントアウトすれば見れるかもしれません。

(define hh (entity:copy (find-mask "MaskNplus")))
(sde:attrib-remove hh "maskname")
(generic:add hh "maskname" "MaskContAl")
(sde:offset-mask "MaskContAl" -10)


(sdepe:pattern "mask" "MaskContAl" "polarity" "light" "material" "Aluminum" "thickness" 0.5  "type" "aniso" "algorithm" "sweep" )

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat2_DCcont_bnd.tdr")

ここではAlとN+のコンタクトを作っています。本当はもう一度マスクを作ればよいのですが、面倒なのでMaskNplusを10um小さくした新しいマスク MaskContAl を製作して同様にpatternを作っています。

ここまでの様子はn1_pat2_DCcont_bnd.tdrで見られます。

(sdepe:fill-device "material" "Oxide")

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat3_OxFill_bnd.tdr")

コンタクト以外の部分は酸化膜で覆っておきましょう。

n1_pat3_OxFill_bnd.tdrで確認できます。(見やすいようにZ軸を10倍スケールしてます。)

(define gg (entity:copy (find-mask "MaskNplus")))
(sde:attrib-remove gg "maskname")
(generic:add gg "maskname" "MaskTopAl")
(sde:offset-mask "MaskTopAl" 5.0)
(sdepe:pattern "mask" "MaskTopAl" "polarity" "light" "material" "Aluminum" "thickness" 0.5  "type" "aniso" "algorithm" "sweep" )

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat4_Al_bnd.tdr")

トップのアルミもマスクの再利用で作ります。N+より5umほど大きなアルミを作ってます。

結果はn1_pat4_Al_bnd.tdr で見れます。

(sdepe:fill-device "material" "Oxide")

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat5_OxFill_bnd.tdr")

こちらも酸化膜をFillしておきます。

(bool:unite (find-material-id "Oxide"))
(bool:unite (find-material-id "Aluminum"))
(sde:separate-lumps)
(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat6_Unite_bnd.tdr")

上の図で二段階にAlや酸化膜をpatterningしたので二つの別のパーツになってしまっています。

これを一つにするのが bool:unite というコマンドです。結果はこんな感じです。

ここまでで構造体はできました。

ここからはシミュレーションに必要なコンタクトとn+以外のドープを行っていきます。

まずは表面のn+電極です。

;;  making contact for Electrode
(
do ((i 0 (+ i 1))) ((>= i NY))
  (
    do ((j 0 (+ j 1))) ((>= j NX))
      (sde:add-material (find-body-id 
        (position (+ (* j Lpixel_pitchX) (* 0.5 Lpixel_pitchX)) 
                  (+ (* i Lpixel_pitchY) (* 0.5 Lpixel_pitchY)) 
                  (+ TSUB 0.1)))
   "Aluminum" (string-append "RAl" (number->string j) (number->string i)))
      (sdegeo:define-contact-set (string-append "NplusElec" (number->string j) 
                                 (number->string i)) 4  (color:rgb 1 0 0 ) "##")
      (sdegeo:set-current-contact-set (string-append "NplusElec" (number->string j) (number->string i)) )
      (sdegeo:set-contact-boundary-faces (find-region-id (string-append "RAl" (number->string j) (number->string i)))
    )
  )
)

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat7_ContNp_bnd.tdr")

見ると大体何をやっているかわかると思います。電極になる部分の一点を指定してfind-body-idをしてそれをcontact-setしています。

SVidualではマジェンダに表示されるので確認してみてください。

;; doping for backside
(sdedr:define-refeval-window "RefEval_PBack" "Rectangle"  (position 0 0 0) (position LX LY 0))
(sdedr:define-gaussian-profile "DopPBack" "BoronActiveConcentration" "PeakPos" 0  "PeakVal" Dop_PPlus "ValueAtDepth" Dop_PSub "Depth" 5 "Gauss"  "Factor" 0.8)
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place_PBack" "DopPBack" "RefEval_PBack" "Both" "NoReplace" "Eval")

ここでは裏面にp+をドープしています。これもガウス分布でドープしています。

;; making contact for backside 
(sdegeo:define-contact-set "PBack" 4  (color:rgb 1 0 0 ) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "PBack")
(sdegeo:set-contact-faces (find-face-id (position 0.1 0.1 0)))

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_pat8_ContBack_bnd.tdr")

ドープした裏面をバイアスをかけるための電極に設定しています。

下側に電極ができたのを確認してみてください。

;;(entity:delete (find-material-id "Aluminum"))

シミュレーション自体にはAlは必要ないので消してしまってもよいのですが、あってもよいのでここはコメントアウトしています。

;; doping for substrate
(sdedr:define-constant-profile "ConstantProfileDefinition_1" "BoronActiveConcentration" Dop_PSub)
(sdedr:define-constant-profile-material "ConstantProfilePlacement_1" "ConstantProfileDefinition_1" "Silicon")
;; mesh refinement for
(sdedr:define-refinement-size "RefinementDefinition_1" (* 0.1 LX) (* 0.1 LY) (/ TSUB 20.0) 0.5 0.5 0.5 )
(sdedr:define-refinement-placement "RefinementPlacement_1" "RefinementDefinition_1" (list "material" "Silicon" ) )
(sdedr:define-refinement-function "RefinementDefinition_1" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)

シリコン層にホウ素をドープしてその後メッシュを切っています。この切り方はシミュレーションの早さにもつながるので最適化が必要です。

;(sdegeo:translate-selected (get-body-list) (transform:translation (gvector (- 0 (* 0.5 LX)) (- 0 (* 0.5 LY)) 0)) #f 0)
;(sdegeo:translate-selected (get-drs-list) (transform:translation (gvector (- 0 (* 0.5 LX)) (- 0 (* 0.5 LY)) 0)) #f 0)

(sde:build-mesh "snmesh" " " "n@node@_msh")

translate-selectedは、軸をしふとさせるコマンドです。真ん中のピクセルの中心を(0,0)にしたいときはこれをやる必要があります。

(ただし、Alをremoveしていないと電極がシフトしない問題があります。ちょっとよくわかっていません。)

以上で完成です。最終的にこんなものが出来上がります。 n1_msh.tdrというファイルです。

GDSファイルの読み込み

GDSファイルを読み込むことは難しくはないが、GDSの情報はあくまでも二次元のマスクなので(上の例で散々作ったMask)これを発展させてちゃんとした構造にする必要がある。

cd ~/work/Silicon/TCAD/Synopsys/tutorial 
mkdir -p tar_src 
cd tar_src 
cp ~kojin/work/Silicon/TCAD/Synopsys/tutorials/1stTCADWorkshop/LOAD_GDS.tar.gz . 
swb&

前の例と同様にLGAD_GDSというプロジェクトを作って実行してみてください。

SDEとSPROCESSの例が両方入っていますが、SDEの方を実行してみてください。

GDSファイルを読んでいる場所はここです。

(define GDSFILE "TCAD_PIXEL_v3.gds")
(define CELLNAME "TCAD_PIXEL_v3")
(define LAYERNAMES (list 'PWELL 'POLY 'ACT 'NO_PW 'NPLUS 'CONT 'PW_LVT 'MET1 'VIA1 'MET2 'VIA2 'MET3 'VIA3 'MET4 'ULENS 'PD1 'PD2 'SN1 'SN2 'SN3 ))
(define LAYERNUMBERS (list '1:0 '8:0 '9:0 '17:82 '32:0 '34:0 '35:0 '40:0 '41:0 '42:0 '43:0 '44:0 '49:0 '50:0 '89:0 '92:82 '93:0 '94:0 '94:43 '94:95 ))

(sdeicwb:gds2mac "gds.file" GDSFILE "cell" CELLNAME "layer.names" LAYERNAMES "layer.numbers" LAYERNUMBERS "sim3d" (list 0 -6000 6000 0) "scale" 1.0e-3 "domain.name" "SIM3D" "mac.file" "TCAD_PIXEL")

(read-layout-init-domain "TCAD_PIXEL_SIM3D.mac" #f "SIM3D")

GDSファイルにはマスクの数だけLAYERが入っています。その番号と名前をアサインしていって、最終的にそのマスクの点情報を.macファイルに書き出しているだけです。

GDSファイルを開ける人は見るとこんな感じになっています。

その後はひたすらこのマスクをもとに構造体を作っていきます。

(define TSUB 7.0)

(sdepe:add-substrate "material" "Silicon" "thickness" TSUB "region" "substrat") 

(sdepe:pattern "mask" "ACT" "polarity" "light" "material" "Resist" "thickness" 1  "type" "aniso" "algorithm" "sweep" )

(sdepe:etch-material "material" "Silicon" "depth" 0.420  "taper-angle" 5) 

(entity:delete (find-material-id "Resist"))

(sdepe:fill-device "material" "Oxide" "height" (+ TSUB 0.008))


(sdepe:pattern "mask" "POLY" "polarity" "light" "material" "PolySilicon" "thickness" 0.3  "type" "aniso" "algorithm" "sweep" )

(sdepe:depo "material" "dummy" "thickness" 0.03 "type" "iso" "algorithm" "lopx")
(sdepe:etch-material "material" "dummy" "depth" 0.03  "type" "aniso") 

もう何をやっているのか大体わかってきたかと思います。

最終的にはこんなものが出来上がってきます。

HPK 6th mask のシミュレーション

以上のことを組み合わせるとHPKのセンサーもかなりちゃんと再現できます。

cd ~/work/Silicon/TCAD/Synopsys/tutorial 
mkdir -p tar_src 
cd tar_src 
cp ~kojin/work/Silicon/TCAD/Synopsys/tutorial/1stTCADWorkshop/HPK6th3D.tar.gz . 
swb&

同じように走らせるとstructureができる。

-- Koji Nakamura - 2018-06-24