1、BCD 工艺技术1 引言 BCD 是一种单片集成工艺技术。1986 年由意法半导体（ST）公司率先研制成功，这种技术能够在同一芯片上制作双极管 bipolar，CMOS 和 DMOS 器件，称为 BCD 工艺。9J2Iv+G9R)e#l了解 BCD 工艺的特点，需要先了解双极管 bipolar，CMOS 和 DMOS 器件这三种器件的特点，详见表1。表 1 双极管 Bipolar,CMOS 和 DMOS 器件的特点器件类别 器件特点 应用双极器件 两种载流子都参见导电,驱动能力强,工作频率高,集成度低 模拟电路对性能要求较高部分(高速、强驱动、高精度)CMOS 器件 集成度高,功耗低 适合做逻
2、辑处理,一些输入,也可以做输出驱动DMOS 器件高压大电流驱动(器件结构决定漏端能承受高压,高集成度可在小面积内做超大 W/L)模拟电路和驱动,尤其是高压功率部分,不适合做逻辑处理.)半导体技术天地 BCD 工艺把双极器件和 CMOS 器件同时制作在同一芯片上。它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和 CMOS 集成度高、低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自的优点。更为重要的是，它集成了DMOS 功率器件，DMOS 可以在开关模式下工作，功耗极低。不需要昂贵的封装和冷却系统就可以将大功率传递给负载。低功耗是 BCD 工艺的一个主要优点之一。整合过的 BCD 工艺制程，可大幅降低功率耗损，提
3、高系统性能，节省电路的封装费用，并具有更好的可靠性。2 BCD 工艺关键技术简介 2.1 BCD 工艺的基本要求首先，BCD 工艺必须把双极器件、CMOS 器件和 DMOS 器件同时制作在同一芯片上，而且这三种器件在集成后应基本上能具有各自分立时所具有的良好性能；其次，BCD 工艺制造出来的芯片应具有更好的综合性能；此外，相对于其中最复杂的工艺（如双阱、多层布线、多层多晶硅的 CMOS 工艺）不应增加太多的工艺步骤。2.2 BCD 工艺兼容性考虑 1 BCD 工艺典型器件包括低压 CMOS 管、高压 MOS 管、各种击穿电压的 LDMOS、垂直 NPN 管、垂直 PNP管、横向 PNP 管、肖
4、特基二极管、阱电阻、多晶电阻、金属电阻等；有些工艺甚至还集成了 EEPROM、结型场效应管 JFET 等器件。由于集成了如此丰富的器件，这就给电路设计者带来极大的灵活性，可以根据应用的需要来选择最合适的器件，从而提高整个电路的性能。由于 BCD 工艺中器件种类多，必须做到高压器件和低压器件的兼容；双极工艺和 CMOS 工艺的相兼容，尤其是要选择合适的隔离技术；为控制制造成本，必须考虑光刻版的兼容性。考虑到器件各区的特殊要求，为减少工艺制造用的光刻版，应尽量使同种掺杂能兼容进行。因此，需要精确的工艺模拟和巧妙的工艺设计，有时必须在性能与集成兼容性上作折中选择。通常 BCD 采用双阱工艺，有的工艺
5、会采用三阱甚至四阱工艺来制作不同击穿电压的高压器件。2.3 DMOS 器件的结构、工作原理与特点2-5功率输出级 DMOS 管是此类电路的核心，往往占据整个芯片面积的 1/22/3，它是整个集成电路的关键。DMOS 与 CMOS 器件结构类似，也有源、漏、栅等电极，但是漏端击穿电压高。 DMOS 主要有两种类型，垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管 VDMOSFET（ vertical double-diffused MOSFET）和横向双扩散金属氧化物半导体场效应管 LDMOSFET （lateral double-diffused MOSFET） 。LDMOS 由于更容易与CMOS 工艺兼容
6、而被广泛采用。LDMOS 器件结构如图 1 所示，LDMOS 是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是在相同的源/漏区域注入两次，一次注入浓度较大（典型注入剂量 1015cm-2）的砷（As） ，另一次注入浓度较小（典型剂量 1013cm-2）的硼（B） 。注入之后再进行一个高温推进过程，由于硼扩散比砷快，所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远（图中 P 阱） ，形成一个有浓度梯度的沟道，它的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。为了增加击穿电压，在有源区和漏区之间有一个漂移区。LDMOS 中的漂移区是该类器件设计的关键，漂移区的杂质浓度比较低，因此，当 LDMOS 接高压时，漂移区由于是高阻，能
7、够承受更高的电压。图 1 所示 LDMOS 的多晶扩展到漂移区的场氧上面，充当场极板，会弱化漂移区的表面电场，有利于提高击穿电压。场极板的作用大小与场极板的长度密切相关6。要使场极板能充分发挥作用，一要设计好 SiO2 层的厚度，二要设计好场极板的长度。DMOS 器件是由成百上千的单一结构的 DMOS 单元所组成的。这些单元的数目是根据一个芯片所需要的驱动能力所决定的，DMOS的性能直接决定了芯片的驱动能力和芯片面积。对于一个由多个基本单元结构组成的 LDMOS 器件，其中一个最主要的考察参数是导通电阻，用 R ds（on）表示。导通电阻是指在器件工作时，从漏到源的电阻。对于 LDMOS 器件
8、应尽可能减小导通电阻，就是 BCD 工艺流程所追求的目标。当导通电阻很小时，器件就会提供一个很好的开关特性，因为漏源之间小的导通电阻，会有较大的输出电流，从而可以具有更强的驱动能力。DMOS 的主要技术指标有：导通电阻、阈值电压、击穿电压等。 1C1D!对 LDMOS 而言，外延层的厚度、掺杂浓度、漂移区的长度是其最重要的特性参数。我们可以通过增加漂移区的长度以提高击穿电压，但是这会增加芯片面积和导通电阻。高压 DMOS 器件耐压和导通电阻取决于外延层的浓度、厚度及漂移区长度的折中选择。因为耐压和导通阻抗对于外延层的浓度和厚度的要求是矛盾的。高的击穿电压要求厚的轻掺杂外延层和长的漂移区，而低的
9、导通电阻则要求薄的重掺杂外延层和短的漂移区，因此必须选择最佳外延参数和漂移区长度，以便在满足一定的源漏击穿电压的前提下，得到最小的导通电阻。另外，由于DMOS 芯片面积大，对缺陷密度较敏感。3 BCD 工艺发展趋势3.1 BCD 工艺发展方向 7-8半导体,BCD 工艺技术的发展不像标准 CMOS 工艺那样，一直遵循 Moore 定律向更小线宽、更快的速度方向发展。BCD 工艺朝着三个方向分化发展：高压、高功率、高密度。 )5x$c%U7C 高压 BCD主要的电压范围是 500700V，目前用来制造 LDMOS 的唯一方法为 RESURF 技术，原意为降低表面电场（ reduced surfa
10、ce field）9-10，在 1979 年由 J.A.Appels 等人提出。它是利用轻掺杂的外延层制作器件，使表面电场分布更加平坦从而改善表面击穿的特性，使击穿发生在体内而非表面,从而提高器件的击穿电压。高压 BCD 主要的应用领域是电子照明（ electronic lamp ballasts）和工业应用的功率控制高功率 BCD主要的电压范围是 4090V ，主要的应用为汽车电子。它的需求特点是大电流驱动能力、中等电压，而控制电路往往比较简单。因此主要发展趋势侧重于提高产品的鲁棒性（robustness） ，以保证在恶劣的环境下应用能够具备良好的性能和可靠性；另一个方面是如何降低成本高密度
11、 BCD主要的电压范围是 550V，一些汽车电子应用会到 70V。在此应用领域，BCD 技术将集成越来越复杂的功能，今天，有的产品甚至集成了非挥发性存储器。许多电路集成密度如此之高，以致于需要采用数字设计的方法（如集成微控制器）来实现最佳驱动以提高性能。这代表了持续增长的市场需求，即将信号处理器和功率激励部分同时集成在同一块芯片上。它不仅仅是缩小了系统体积和重量，更带来了高可靠性，减少了各种电磁接口。由于有着非常广阔的市场应用前景，代表了 BCD 工艺的主流方向，也是最大的应用领域。 半导体技术天地 9:s“mZ2m,6最新的 BCD 工艺趋向于采用先进的 CMOS 工艺平台，根据不同的应用场
12、合呈现模块化和多样性的特点。高密度 BCD 工艺发展的一个显著趋势是模块化的工艺开发策略被普遍采用。所谓模块化，是指将一些可选用的器件做成标准模块，根据应用需要选用或省略该模块。模块化代表了 BCD 工艺发展的一个显著特征，采用模块化的开发方法，可以开发出多种不同类型的 IC，在性能、功能和成本上达到最佳折中，从而方便地实现产品的多样化，快速满足持续增长的市场需求。自 0.6m 线宽以下 BCD 工艺普遍采用双栅氧，薄栅氧实现低压 CMOS，厚栅氧用于制造高压 DMOS。此外，一种新型的大斜角注入工艺正被采用以减少热过程。 半导体,芯片,集成 3.2 BCD 工艺新兴技术发展趋势7,11 未来
13、电子系统的主要市场是多媒体应用、便携性及互连性。这些系统中会包含越来越复杂的高速 IC，加上专用的多功能芯片来管理外围的显示、灯光、照相、音频、射频通信等。为实现低功耗和高效率功率模块，需要混合技术来提供高压能力和超低漏电以保证足够的待机时间，同时在电池较低的电压供电下也能保持良好的性能，目前一些新兴 BCD 技术正在形成。 半导体技HVCMOS-BCD 主要用于彩色显示驱动（LCD 和 OLED 驱动） ； RF-BCD 主要用于实现手机 RF 功率放大器输出级；BCD-SOI 主要用于无线通信的 XDSL 驱动。SOI 的方法有利于减少各种寄生效应。很早就有相关研究，但是由于以前 SOI
14、材料很贵，没有得到广泛应用，只有最近几年 SOI 才正逐渐成为主流的方法，SOI 是许多特定应用的上佳选择。BCD 工艺是制造电源管理、显示驱动等 IC 的上佳选择电显示驱动和电源管理 IC 一般使用 BiCMOS 或 BCD 工艺，由于工艺比标准 CMOS 工艺复杂，并且千差万别，许多设计公司（如 Fabless）由于没有相应的工艺被迫退出。因此，能否掌握 BCD 工艺技术，是许多设计公司在市场竞争中成败的关键因素之一。BCD 工艺技术对代工企业（Foundry）同样意义重大，掌握BCD 工艺技术可以使代工企业获得大笔的订单。国内外的许多公司都加大投入力度，争相开发富有竞争力的 BCD 工艺。总之，BCD 工艺是一种先进的单片集成工艺技术，是电源管理、显示驱动、汽车电子等 IC制造工艺的上佳选择，具有广阔的市场前景。今后，BCD 工艺仍将朝着高压、高功率、高密度三个方向分化发展。其中 BCD 技术与 SOI 技术相结合，是一个非常重要的技术趋势。近年来，在市场的强劲驱动下，BCD 技术倍受国内外业界所关注。尽管 BCD 工艺复杂，技术门槛较高，但是，随着国内微电子产业链的日臻完善，国内微电子企业在此领域加大投入、增强合作，一定会大有作为。
