BCD工藝概述學(xué)習(xí)資料

BCD工藝概述

OverviewofBCDProcess

是一種單片集成工藝技術(shù)。1986年由意法半導(dǎo)體（ST）公司率先研制成功，這種技術(shù)能夠在同一芯片上制作雙極管bipolar，CMOS和DMOS器件，稱為BCD工藝。了解BCD工藝的特點(diǎn)，需要先了解雙極管bipolar，CMOS和DMOS器件這三種器件的特點(diǎn)，詳見(jiàn)表1。$j&D,P'k1D(g

表1雙極管Bipolar,CMOS和DMOS器件的特點(diǎn)

器件類別器件特點(diǎn)應(yīng)用

雙極器件兩種載流子都參見(jiàn)導(dǎo)電,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),工作頻率高,集成度低模擬電路對(duì)性能要求較高部分(高速、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)、高精度)3~1n${6h#s7Y

CMOS器件集成度高,功耗低適合做邏輯處理,一些輸入,也可以做輸出驅(qū)動(dòng)

DMOS器件高壓大電流驅(qū)動(dòng)(器件結(jié)構(gòu)決定漏端能承受高壓,高集成度可在小面積內(nèi)做超大W/L)模擬電路和驅(qū)動(dòng),尤其是高壓功率部分,不適合做邏輯處理.)

BCD工藝把雙極器件和CMOS器件同時(shí)制作在同一芯片上。它綜合了雙極器件高跨導(dǎo)、強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和CMOS集成度高、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，使其互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。更為重要的是，它集成了DMOS功率器件，DMOS可以在開(kāi)關(guān)模式下工作，功耗極低。不需要昂貴的封裝和冷卻系統(tǒng)就可以將大功率傳遞給負(fù)載。低功耗是BCD工藝的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)之一。整合過(guò)的BCD工藝制程，可大幅降低功率耗損，提高系統(tǒng)性能，節(jié)省電路的封裝費(fèi)用，并具有更好的可靠性。

.1BCD工藝的基本要求

首先，BCD工藝必須把雙極器件、CMOS器件和DMOS器件同時(shí)制作在同一芯片上，而且這三種器件在集成后應(yīng)基本上能具有各自分立時(shí)所具有的良好性能；其次，BCD工藝制造出來(lái)的芯片應(yīng)具有更好的綜合性能；此外，相對(duì)于其中最復(fù)雜的工藝（如雙阱、多層布線、多層多晶硅的CMOS工藝）不應(yīng)增加太多的工藝步驟。9s1[3y

s8{7c*B%e

2.2BCD工藝兼容性考慮.d"s4y1E+Z8s/I

工藝典型器件包括低壓CMOS管、高壓MOS管、各種擊穿電壓的LDMOS、垂直NPN管、垂直P(pán)NP管、橫向PNP管、肖特基二極管、阱電阻、多晶電阻、金屬電阻等；有些工藝甚至還集成了EEPROM、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET等器件。由于集成了如此豐富的器件，這就給電路設(shè)計(jì)者帶來(lái)極大的靈活性，可以根據(jù)應(yīng)用的需要來(lái)選擇最合適的器件，從而提高整個(gè)電路的性能。*A:@(U0R/P1Z;k0P

c"n

由于BCD工藝中器件種類多，必須做到高壓器件和低壓器件的兼容；雙極工藝和CMOS工藝的相兼容，尤其是要選擇合適的隔離技術(shù)；為控制制造成本，必須考慮光刻版的兼容性。考慮到器件各區(qū)的特殊要求，為減少工藝制造用的光刻版，應(yīng)盡量使同種摻雜能兼容進(jìn)行。因此，需要精確的工藝模擬和巧妙的工藝設(shè)計(jì)，有時(shí)必須在性能與集成兼容性上作折中選擇。通常BCD采用雙阱工藝，有的工藝會(huì)采用三阱甚至四阱工藝來(lái)制作不同擊穿電壓的高壓器件。

DMOS器件的結(jié)構(gòu)、工作原理與特點(diǎn)-G$_4c+X$G6^,m

功率輸出級(jí)DMOS管是此類電路的核心，往往占據(jù)整個(gè)芯片面積的1/2～2/3，它是整個(gè)集成電路的關(guān)鍵。DMOS與CMOS器件結(jié)構(gòu)類似，也有源、漏、柵等電極，但是漏端擊穿電壓高。DMOS主要有兩種類型，垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管VDMOSFET（verticaldouble-diffusedMOSFET）和橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管LDMOSFET（lateraldouble-diffusedMOSFET）。(W7U$M8O!c%j*P+T6]

,2f*Q.j7O7V,o9X/U,t/K

LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。LDMOS器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，LDMOS是一種雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的功率器件。這項(xiàng)技術(shù)是在相同的源/漏區(qū)域注入兩次，一次注入濃度較大（典型注入劑量1015cm-2）的砷（As），另一次注入濃度較?。ǖ湫蛣┝?013cm-2）的硼（B）。注入之后再進(jìn)行一個(gè)高溫推進(jìn)過(guò)程，由于硼擴(kuò)散比砷快，所以在柵極邊界下會(huì)沿著橫向擴(kuò)散更遠(yuǎn)（圖中P阱），形成一個(gè)有濃度梯度的溝道，它的溝道長(zhǎng)度由這兩次橫向擴(kuò)散的距離之差決定。為了增加擊穿電壓，在有源區(qū)和漏區(qū)之間有一個(gè)漂移區(qū)。LDMOS中的漂移區(qū)是該類器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度比較低，因此，當(dāng)LDMOS接高壓時(shí)，漂移區(qū)由于是高阻，能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴(kuò)展到漂移區(qū)的場(chǎng)氧上面，充當(dāng)場(chǎng)極板，會(huì)弱化漂移區(qū)的表面電場(chǎng)，有利于提高擊穿電壓。場(chǎng)極板的作用大小與場(chǎng)極板的長(zhǎng)度密切相關(guān)[6]。要使場(chǎng)極板能充分發(fā)揮作用，一要設(shè)計(jì)好SiO2層的厚度，二要設(shè)計(jì)好場(chǎng)極板的長(zhǎng)度。0|.`.x4z2z8Q)A

0Y6f!H

e0\;t'w

:Q![)z:?#D4[:a

DMOS器件是由成百上千的單一結(jié)構(gòu)的DMOS單元所組成的。這些單元的數(shù)目是根據(jù)一個(gè)芯片所需要的驅(qū)動(dòng)能力所決定的，DMOS的性能直接決定了芯片的驅(qū)動(dòng)能力和芯片面積。對(duì)于一個(gè)由多個(gè)基本單元結(jié)構(gòu)組成的LDMOS器件，其中一個(gè)最主要的考察參數(shù)是導(dǎo)通電阻，用Rds（on）表示。導(dǎo)通電阻是指在器件工作時(shí)，從漏到源的電阻。對(duì)于LDMOS器件應(yīng)盡可能減小導(dǎo)通電阻，就是BCD工藝流程所追求的目標(biāo)。當(dāng)導(dǎo)通電阻很小時(shí)，器件就會(huì)提供一個(gè)很好的開(kāi)關(guān)特性，因?yàn)槁┰粗g小的導(dǎo)通電阻，會(huì)有較大的輸出電流，從而可以具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。DMOS的主要技術(shù)指標(biāo)有：導(dǎo)通電阻、閾值電壓、擊穿電壓等。!p$Q(q,T/R#U

對(duì)LDMOS而言，外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區(qū)的長(zhǎng)度是其最重要的特性參數(shù)。我們可以通過(guò)增加漂移區(qū)的長(zhǎng)度以提高擊穿電壓，但是這會(huì)增加芯片面積和導(dǎo)通電阻。高壓DMOS器件耐壓和導(dǎo)通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區(qū)長(zhǎng)度的折中選擇。因?yàn)槟蛪汉蛯?dǎo)通阻抗對(duì)于外延層的濃度和厚度的要求是矛盾的。高的擊穿電壓要求厚的輕摻雜外延層和長(zhǎng)的漂移區(qū)，而低的導(dǎo)通電阻則要求薄的重?fù)诫s外延層和短的漂移區(qū)，因此必須選擇最佳外延參數(shù)和漂移區(qū)長(zhǎng)度，以便在滿足一定的源漏擊穿電壓的前提下，得到最小的導(dǎo)通電阻。另外，由于DMOS芯片面積大，對(duì)缺陷密度較敏感。

BCD工藝發(fā)展趨勢(shì)

L!]/K0d

b;o+s

.1BCD工藝發(fā)展方向)x3C;X

D%P:]2F0X&h

BCD工藝技術(shù)的發(fā)展不像標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝那樣，一直遵循Moore定律向更小線寬、更快的速度方向發(fā)展。BCD工藝朝著三個(gè)方向分化發(fā)展：高壓、高功率、高密度。

!X$U(U$h!g+V'|

⑴高壓BCD

主要的電壓范圍是500～700V，目前用來(lái)制造LDMOS的唯一方法為RESURF技術(shù)，原意為降低表面電場(chǎng)（reducedsurfacefield）[9-10]，在1979年由J.A.Appels等人提出。它是利用輕摻雜的外延層制作器件，使表面電場(chǎng)分布更加平坦從而改善表面擊穿的特性，使擊穿發(fā)生在體內(nèi)而非表面,從而提高器件的擊穿電壓。高壓BCD主要的應(yīng)用領(lǐng)域是電子照明（electroniclampballasts）和工業(yè)應(yīng)用的功率控制。

⑵高功率BCD7o.B-D8u-a5T-_8B

主要的電壓范圍是40～90V，主要的應(yīng)用為汽車電子。它的需求特點(diǎn)是大電流驅(qū)動(dòng)能力、中等電壓，而控制電路往往比較簡(jiǎn)單。因此主要發(fā)展趨勢(shì)*v,?3?&[5p&M3O

側(cè)重于提高產(chǎn)品的魯棒性（robustness），以保證在惡劣的環(huán)境下應(yīng)用能夠具備良好的性能和可靠性；另一個(gè)方面是如何降低成本。

高密度BCD

8q+A:I4g/\*O#k

主要的電壓范圍是5～50V，一些汽車電子應(yīng)用會(huì)到70V。在此應(yīng)用領(lǐng)域，BCD技術(shù)將集成越來(lái)越復(fù)雜的功能，今天，有的產(chǎn)品甚至集成了非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。許多電路集成密度如此之高，以致于需要采用數(shù)字設(shè)計(jì)的方法（如集成微控制器）來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)以提高性能。這代表了持續(xù)增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，即將信號(hào)處理器和功率激勵(lì)部分同時(shí)集成在同一塊芯片上。它不僅僅是縮小了系統(tǒng)體積和重量，更帶來(lái)了高可靠性，減少了各種電磁接口。由于有著非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，代表了BCD工藝的主流方向，也是最大的應(yīng)用領(lǐng)域。"D9].Q6H$z$d-o

最新的BCD工藝趨向于采用先進(jìn)的CMOS工藝平臺(tái)，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合呈現(xiàn)模塊化和多樣性的特點(diǎn)。高密度BCD工藝發(fā)展的一個(gè)顯著趨勢(shì)是模塊化的工藝開(kāi)發(fā)策略被普遍采用。所謂模塊化，是指將一些可選用的器件做成標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)應(yīng)用需要選用或省略該模塊。模塊化代表了BCD工藝發(fā)展的一個(gè)顯著特征，采用模塊化的開(kāi)發(fā)方法，可以開(kāi)發(fā)出多種不同類型的IC，在性能、功能和成本上達(dá)到最佳折中，從而方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化，快速滿足持續(xù)增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。自0.6μm線寬以下BCD工藝普遍采用雙柵氧，薄柵氧實(shí)現(xiàn)低壓CMOS，厚柵氧用于制造高壓DMOS。此外，一種新型的大斜角注入工藝正被采用以減少熱過(guò)程。

U;X5T&c2r%J

.2BCD工藝新興技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)電子系統(tǒng)的主要市場(chǎng)是多媒體應(yīng)用、便攜性及互連性。這些系統(tǒng)中會(huì)包含越來(lái)越復(fù)雜的高速IC，加上專用的多功能芯片來(lái)管理外圍的顯示、燈光、照相、音頻、射頻通信等。為實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率功率模塊，需要混合技術(shù)來(lái)提供高壓能力和超低漏電以保證足夠的待機(jī)時(shí)間，同時(shí)在電池較低的電壓供電下也能保持良好的性能，目前一些新興BCD技術(shù)正在形成。;i;T.j8p;O&[2i)u!`

HVCMOS-BCD主要用于彩色顯示驅(qū)動(dòng)（LCD和OLED驅(qū)動(dòng)）；⑵RF-BCD主要用于實(shí)現(xiàn)手機(jī)RF功率放大器輸出級(jí)；⑶BCD-SOI主要用于無(wú)線通信的XDSL驅(qū)動(dòng)。SOI的方法有利于減少各種寄生效應(yīng)。很早就有相關(guān)研究，但是由于以前SOI材料很貴，沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，只有最近幾年SOI才正逐漸成為主流的方法，SOI是許多特定應(yīng)用的上佳選擇。$A)]*}3[#u-K(S

%w;E2b6w0^#~$s

4BCD工藝應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)現(xiàn)狀

"{3r#i-g7H%H(Y-O

BCD工藝的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娫垂芾恚娫春碗姵乜刂疲?、顯示驅(qū)動(dòng)、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。近年來(lái)，在顯示驅(qū)動(dòng)和電源管理兩大市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，BCD工藝備受關(guān)注，越來(lái)越多的公司進(jìn)入該領(lǐng)域，進(jìn)行相關(guān)工藝和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。9p)~,h5F$\%k

&@7L3]$]0d8U9q1Y+l

4.1電源管理市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)[電源管理IC屬于模擬IC，市場(chǎng)成長(zhǎng)性穩(wěn)定。模擬技術(shù)的建立需要長(zhǎng)時(shí)間累積，再加上模擬IC無(wú)法像數(shù)字IC一樣有大量的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具和IP可重復(fù)使用，所以模擬IC的設(shè)計(jì)相當(dāng)需要經(jīng)驗(yàn)的累積，新興廠商不易在短期跨入造成殺價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，因而模擬IC價(jià)格不易大起大落。(]3N4k"h"I!o)_5{

(D3D;V)M/z,n$D5l

隨著終端產(chǎn)品朝著輕薄短小、數(shù)字化和整合多功能三大趨勢(shì)發(fā)展，電源管理IC的地位越來(lái)越重要。近年來(lái)，在高度數(shù)字化趨勢(shì)下，數(shù)字IC技術(shù)在工藝按比例縮小后對(duì)于電壓的變化、電流容忍和保護(hù)日益重要，不同的IC需要不同的供應(yīng)電壓，因而促成更多電源管理IC需求的興起。便攜式產(chǎn)品一直都是電源管理IC主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，近幾年，該類產(chǎn)品如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、MP3等發(fā)展非常迅速。在產(chǎn)量提高的同時(shí)，便攜式產(chǎn)品的性能也不斷得到改進(jìn)，功能不斷增加。便攜式電子產(chǎn)品的升級(jí)，必然使其對(duì)電源管理IC提出更高的要求。電源管理類產(chǎn)品即使在半導(dǎo)體市場(chǎng)不景氣的情況下，仍然保持了穩(wěn)定的增長(zhǎng)。

然而，模擬IC設(shè)計(jì)相當(dāng)需要經(jīng)驗(yàn)的累積，技術(shù)門(mén)檻高?！昂筮M(jìn)”的模擬IC設(shè)計(jì)廠商切入此市場(chǎng)就得面臨好手如云的情況，包括TI，Linear，F(xiàn)airchild和Intersil等老牌半導(dǎo)體公司都已在模擬領(lǐng)域耕耘多年，因此模擬IC設(shè)計(jì)廠商仍面臨不小

的挑戰(zhàn)。盡管有技術(shù)和人才方面的挑戰(zhàn)，但整體而言，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠商在電源管理IC市場(chǎng)應(yīng)有不錯(cuò)的發(fā)展機(jī)會(huì)。國(guó)內(nèi)模擬IC設(shè)計(jì)公司因?yàn)榭拷畔?、通信和消費(fèi)性電子制造和代工系統(tǒng)廠商，通過(guò)完善的技術(shù)支持和廠商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和系統(tǒng)端頻繁互動(dòng)等方式，在成本、功能和穩(wěn)定性已達(dá)到水準(zhǔn)的情況下，有取代進(jìn)口IC的趨勢(shì)，未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)看好。再者，國(guó)內(nèi)專業(yè)晶圓代工廠對(duì)模擬制程技術(shù)和資源投入逐漸增加，對(duì)國(guó)內(nèi)模擬IC設(shè)計(jì)業(yè)者無(wú)疑是一大幫助，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電源管理IC占全球市場(chǎng)比重雖不及１％，但未來(lái)將有不少的成長(zhǎng)空間。

(l+n#v*R*c6l

4.2顯示驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)需求強(qiáng)勁3L0P/i;p,Q;b

顯示驅(qū)動(dòng)器是向LCD、等離子面板和OLED等平板顯示器的行和列提供電壓和/或電流的IC。大尺寸LCD面板廣泛使用這類IC，預(yù)計(jì)未來(lái)五年LCD電視機(jī)的出貨量將迅速增長(zhǎng)。

G7_2Q,j&j'p$X#i

R/WISuppli公司預(yù)測(cè)，由于LCD電視機(jī)、臺(tái)式PC顯示器和移動(dòng)電腦市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2009年大尺寸LCD面板的驅(qū)動(dòng)IC市場(chǎng)幾乎比2004年翻一倍。2009年