BCD工藝制程技術(shù)簡介

1986年，意法半導(dǎo)體（ST）公司率先研制成功BCD工藝制程技術(shù)。BCD工藝制程技術(shù)就是把BJT，CMOS和DMOS器件同時制作在同一芯片上。BCD工藝制程技術(shù)除了綜合了雙極器件的高跨導(dǎo)和強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動能力，以及CMOS 的高集成度和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，使其互相取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)外，更為重要的是它還綜合了高壓 DMOS器件的高壓大電流驅(qū)動能力的特性，使DMOS 可以在開關(guān)模式下工作，功耗極低。從而不需要昂貴的陶瓷封裝和冷卻系統(tǒng)就可以將大功率傳遞給負(fù)載。低功耗是 BCD 工藝集成電路的一個主要優(yōu)點(diǎn)之一。

BCD 工藝集成電路可大幅降低功率耗損，提高系統(tǒng)性能，節(jié)省電路的封裝成本，并具有更好的可靠性。在BCD 工藝集成電路中，DMOS 器件采用厚的柵氧化層，更深的結(jié)深和更大的溝道長度。另外，DMOS 器件的獨(dú)特耐高壓結(jié)構(gòu)決定了它的漏極能承受高壓，而且可在小面積內(nèi)做超大尺寸器件，做到高集成度。DMOS 器件適合用于設(shè)計模擬電路和輸出驅(qū)動，尤其是高壓功率部分，但不適合做邏輯處理，CMOS 器件可以彌補(bǔ)它這個缺點(diǎn)。

DMOS 與 CMOS 器件結(jié)構(gòu)類似，也是由源、漏和柵組成，但是 DMOS 器件的漏極擊穿電壓非常高。DMOS 器件主要有兩種類型，一種是 VDMOS（Vertical Double Diffused MOSFET，垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管），另一種是 LDMOS（Lateral Double Diffused MOSFET，橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）。圖1-17所示為 VDMOS 和LDMOS 剖面圖。圖1-17a是VDMOS 分立器件的剖面圖，它的漏極是從襯底接線的，它的源極，柵極和漏極不在一個平面，所以它只能做分立器件，而不能與其他CMOS集成在一個芯片。圖1-17b是與CMOS 工藝制程技術(shù)兼容的VDMOS 的剖面圖，它的三端（源極，柵極和漏極）是在一個平面，VDMOS器件的溝道長度是由輕摻雜的P型漂移區(qū)決定的，漏極通過輕摻雜的HVNW連接溝道，它可以有效防止源漏穿通，在漏極電壓較高的情況下，該區(qū)域會完全耗盡，因而可以承受很大的電壓差。圖1-17c是與CMOS 工藝制程技術(shù)兼容的 LDMOS 的剖面圖，它的三端（源極，柵極和漏極）也是在同一個平面，LDMOS 與VDMOS 的主要區(qū)別是 LDMOS 的電流橫向流動。與CMOS 工藝制程技術(shù)兼容的 VDMOS 和LDMOS 被廣泛應(yīng)用于集成電路設(shè)計。P_drift是p型漂移區(qū)，N_drift是n 型漂移區(qū)，HVNW（High Voltage N-WELL） 是高壓n型阱。

DMOS 器件是功率輸出級電路的核心，它往往占據(jù)整個芯片面積的一半以上，它是整個BCD 工藝集成電路的關(guān)鍵。DMOS的核心部件是由成百上千的單一結(jié)構(gòu)的 DMOS 單元所組成的，它的面積是由一個芯片所需要的驅(qū)動能力所決定的。既然 DMOS 器件在BCD 工藝集成電路中的作用如此重要，所以它的性能直接決定了芯片的驅(qū)動能力和芯片面積。對于一個由多個基本單元結(jié)構(gòu)組成的 DMOS 器件，其中一個最重要的參數(shù)是 DMOS 器件的導(dǎo)通電阻Rdson。Rdson是指在 DMOS 器件導(dǎo)通工作時，從漏到源的等效電阻。對于 DMOS 器件應(yīng)盡可能減小導(dǎo)通電阻，這是BCD 工藝制程技術(shù)所追求的目標(biāo)。當(dāng)DMOS 器件的導(dǎo)通電阻很小時，它就會提供一個很好的開關(guān)特性，因?yàn)閷τ谔囟ǖ碾妷?，小的?dǎo)通電阻意味著有較大的輸出電流，從而可以具有更強(qiáng)的驅(qū)動能力。DMOS 的主要技術(shù)指標(biāo)有：導(dǎo)通電阻、閾值電壓和擊穿電壓等。

BCD 工藝制程技術(shù)的發(fā)展不像標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝制程技術(shù)那樣一直遵循摩爾定律向更小線寬、更快的速度方向發(fā)展。BCD 工藝制程技術(shù)朝著三個方向分化發(fā)展：高壓、高功率和高密度。

1）高壓 BCD 工藝制程技術(shù)主要的電壓范圍是500~700V，高壓BCD 工藝制程技術(shù)主要的應(yīng)用是電子照明和工業(yè)控制。

2）高功率 BCD工藝制程技術(shù)主要的電壓范圍是40~90V，主要的應(yīng)用是汽車電子和手機(jī)RF功率放大器輸出級。它的特點(diǎn)是大電流驅(qū)動能力和中等電壓，而控制電路往往比較簡單。

3）高密度BCD工藝制程技術(shù)主要的電壓范圍是5~50V，一些汽車電子應(yīng)用會到70V，在此應(yīng)用領(lǐng)域，BCD 技術(shù)將集成越來越復(fù)雜的功能，比如將信號處理器和功率激勵部分同時集成在同一塊芯片上。

未來電子系統(tǒng)的主要市場是多媒體應(yīng)用、便攜性及互聯(lián)性。這些系統(tǒng)中會包含越來越復(fù)雜的高速集成電路，加上專用的多功能芯片來管理外圍的顯示、燈光、照相、音頻和射頻通信等。為實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率功率模塊，需要混合技術(shù)來提供高壓能力和超低漏電以保證是夠的待機(jī)時間，同時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。

1）RF-BCD主要用于實(shí)現(xiàn)手機(jī) RF功率放大器輸出級。

2） SOI-BCD 主要用于無線通信的各種數(shù)字用戶線路驅(qū)動。SOI-BCD 有利于減少各種寄生效應(yīng)，但是由于早期SOI 材料很昂貴，沒有得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，SOI 才正逐漸成為主流的工藝制程技術(shù)，SOI 是許多特定應(yīng)用的上佳選擇。