1986年,意法半导体(ST)公司率先研制成功BCD工艺制程技术。BCD工艺制程技术就是把BJT,CMOS和DMOS器件同时制作在同一芯片上。BCD工艺制程技术除了综合了双极器件的高跨导和强负载驱动能力,以及CMOS 的高集成度和低功耗的优点,使其互相取长补短,发挥各自的优点外,更为重要的是它还综合了高压 DMOS器件的高压大电流驱动能力的特性,使DMOS 可以在开关模式下工作,功耗极低。从而不需要昂贵的陶瓷封装和冷却系统就可以将大功率传递给负载。低功耗是 BCD 工艺集成电路的一个主要优点之一。
BCD 工艺集成电路可大幅降低功率耗损,提高系统性能,节省电路的封装成本,并具有更好的可靠性。在BCD 工艺集成电路中,DMOS 器件采用厚的栅氧化层,更深的结深和更大的沟道长度。另外,DMOS 器件的独特耐高压结构决定了它的漏极能承受高压,而且可在小面积内做超大尺寸器件,做到高集成度。DMOS 器件适合用于设计模拟电路和输出驱动,尤其是高压功率部分,但不适合做逻辑处理,CMOS 器件可以弥补它这个缺点。
DMOS 与 CMOS 器件结构类似,也是由源、漏和栅组成,但是 DMOS 器件的漏极击穿电压非常高。DMOS 器件主要有两种类型,一种是 VDMOS(Vertical Double Diffused MOSFET,垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管),另一种是 LDMOS(Lateral Double Diffused MOSFET,横向双扩散金属氧化物半导体场效应管)。图1-17所示为 VDMOS 和LDMOS 剖面图。图1-17a是VDMOS 分立器件的剖面图,它的漏极是从衬底接线的,它的源极,栅极和漏极不在一个平面,所以它只能做分立器件,而不能与其他CMOS集成在一个芯片。图1-17b是与CMOS 工艺制程技术兼容的VDMOS 的剖面图,它的三端(源极,栅极和漏极)是在一个平面,VDMOS器件的沟道长度是由轻掺杂的P型漂移区决定的,漏极通过轻掺杂的HVNW连接沟道,它可以有效防止源漏穿通,在漏极电压较高的情况下,该区域会完全耗尽,因而可以承受很大的电压差。图1-17c是与CMOS 工艺制程技术兼容的 LDMOS 的剖面图,它的三端(源极,栅极和漏极)也是在同一个平面,LDMOS 与VDMOS 的主要区别是 LDMOS 的电流横向流动。与CMOS 工艺制程技术兼容的 VDMOS 和LDMOS 被广泛应用于集成电路设计。P_drift是p型漂移区,N_drift是n 型漂移区,HVNW(High Voltage N-WELL) 是高压n型阱。
DMOS 器件是功率输出级电路的核心,它往往占据整个芯片面积的一半以上,它是整个BCD 工艺集成电路的关键。DMOS的核心部件是由成百上千的单一结构的 DMOS 单元所组成的,它的面积是由一个芯片所需要的驱动能力所决定的。既然 DMOS 器件在BCD 工艺集成电路中的作用如此重要,所以它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 DMOS 器件,其中一个最重要的参数是 DMOS 器件的导通电阻Rdson。Rdson是指在 DMOS 器件导通工作时,从漏到源的等效电阻。对于 DMOS 器件应尽可能减小导通电阻,这是BCD 工艺制程技术所追求的目标。当DMOS 器件的导通电阻很小时,它就会提供一个很好的开关特性,因为对于特定的电压,小的导通电阻意味着有较大的输出电流,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、阈值电压和击穿电压等。
BCD 工艺制程技术的发展不像标准 CMOS 工艺制程技术那样一直遵循摩尔定律向更小线宽、更快的速度方向发展。BCD 工艺制程技术朝着三个方向分化发展:高压、高功率和高密度。
1)高压 BCD 工艺制程技术主要的电压范围是500~700V,高压BCD 工艺制程技术主要的应用是电子照明和工业控制。
2)高功率 BCD工艺制程技术主要的电压范围是40~90V,主要的应用是汽车电子和手机RF功率放大器输出级。它的特点是大电流驱动能力和中等电压,而控制电路往往比较简单。
3)高密度BCD工艺制程技术主要的电压范围是5~50V,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,比如将信号处理器和功率激励部分同时集成在同一块芯片上。
未来电子系统的主要市场是多媒体应用、便携性及互联性。这些系统中会包含越来越复杂的高速集成电路,加上专用的多功能芯片来管理外围的显示、灯光、照相、音频和射频通信等。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是够的待机时间,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。
1)RF-BCD主要用于实现手机 RF功率放大器输出级。
2) SOI-BCD 主要用于无线通信的各种数字用户线路驱动。SOI-BCD 有利于减少各种寄生效应,但是由于早期SOI 材料很昂贵,没有得到广泛应用。进入21世纪,SOI 才正逐渐成为主流的工艺制程技术,SOI 是许多特定应用的上佳选择。
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原文标题:BCD 工艺制程技术简介
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