1986年,意法半導體(ST)公司率先研制成功BCD工藝制程技術。BCD工藝制程技術就是把BJT,CMOS和DMOS器件同時制作在同一芯片上。BCD工藝制程技術除了綜合了雙極器件的高跨導和強負載驅動能力,以及CMOS 的高集成度和低功耗的優點,使其互相取長補短,發揮各自的優點外,更為重要的是它還綜合了高壓 DMOS器件的高壓大電流驅動能力的特性,使DMOS 可以在開關模式下工作,功耗極低。從而不需要昂貴的陶瓷封裝和冷卻系統就可以將大功率傳遞給負載。低功耗是 BCD 工藝集成電路的一個主要優點之一。
BCD 工藝集成電路可大幅降低功率耗損,提高系統性能,節省電路的封裝成本,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,更深的結深和更大的溝道長度。另外,DMOS 器件的獨特耐高壓結構決定了它的漏極能承受高壓,而且可在小面積內做超大尺寸器件,做到高集成度。DMOS 器件適合用于設計模擬電路和輸出驅動,尤其是高壓功率部分,但不適合做邏輯處理,CMOS 器件可以彌補它這個缺點。
DMOS 與 CMOS 器件結構類似,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,垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應管),另一種是 LDMOS(Lateral Double Diffused MOSFET,橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管)。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 的主要區別是 LDMOS 的電流橫向流動。與CMOS 工藝制程技術兼容的 VDMOS 和LDMOS 被廣泛應用于集成電路設計。P_drift是p型漂移區,N_drift是n 型漂移區,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,它往往占據整個芯片面積的一半以上,它是整個BCD 工藝集成電路的關鍵。DMOS的核心部件是由成百上千的單一結構的 DMOS 單元所組成的,它的面積是由一個芯片所需要的驅動能力所決定的。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動能力和芯片面積。對于一個由多個基本單元結構組成的 DMOS 器件,其中一個最重要的參數是 DMOS 器件的導通電阻Rdson。Rdson是指在 DMOS 器件導通工作時,從漏到源的等效電阻。對于 DMOS 器件應盡可能減小導通電阻,這是BCD 工藝制程技術所追求的目標。當DMOS 器件的導通電阻很小時,它就會提供一個很好的開關特性,因為對于特定的電壓,小的導通電阻意味著有較大的輸出電流,從而可以具有更強的驅動能力。DMOS 的主要技術指標有:導通電阻、閾值電壓和擊穿電壓等。
BCD 工藝制程技術的發展不像標準 CMOS 工藝制程技術那樣一直遵循摩爾定律向更小線寬、更快的速度方向發展。BCD 工藝制程技術朝著三個方向分化發展:高壓、高功率和高密度。
1)高壓 BCD 工藝制程技術主要的電壓范圍是500~700V,高壓BCD 工藝制程技術主要的應用是電子照明和工業控制。
2)高功率 BCD工藝制程技術主要的電壓范圍是40~90V,主要的應用是汽車電子和手機RF功率放大器輸出級。它的特點是大電流驅動能力和中等電壓,而控制電路往往比較簡單。
3)高密度BCD工藝制程技術主要的電壓范圍是5~50V,一些汽車電子應用會到70V,在此應用領域,BCD 技術將集成越來越復雜的功能,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。
未來電子系統的主要市場是多媒體應用、便攜性及互聯性。這些系統中會包含越來越復雜的高速集成電路,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。為實現低功耗和高效率功率模塊,需要混合技術來提供高壓能力和超低漏電以保證是夠的待機時間,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技術正在形成。
1)RF-BCD主要用于實現手機 RF功率放大器輸出級。
2) SOI-BCD 主要用于無線通信的各種數字用戶線路驅動。SOI-BCD 有利于減少各種寄生效應,但是由于早期SOI 材料很昂貴,沒有得到廣泛應用。進入21世紀,SOI 才正逐漸成為主流的工藝制程技術,SOI 是許多特定應用的上佳選擇。
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原文標題:BCD 工藝制程技術簡介
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