BCD工艺概述

趋势与展望Outlook featuresBCD工艺概述陈志勇1,黄其煜2,龚大卫2(1.上海交通大学微电子学院,上海200030上海先进半导体制造股份有限公司,上海200233摘要:介绍了BCD( bi pol ar CMOs DMOS)的工艺原理、特点和发展前景。对BCD工艺兼容性进行了说明,着重阐述了 LDMOS的工艺原理和关键工艺设计考虑。文章结合应用,指出BCD工艺朝着高压、高功率、高密度三个主要方向分化发展,并对BCD工艺的最新进展作了概述。对电源管理和显示驱动这两大市场驱动进行了分析,并对国内企业进入该领域所面临的机会与挑战作了阐述与展望。关键词:BCD工艺;双扩散金属氧化物半导体管;模块化;高压;高密度中图分类号:T№B05.7文献标识码A文章编号:1003-353X(2006)09-0641-04Overvi ew of bcd processCHEN Zhi-yong, HUANG Qi-yu, GONG Da-wei 2(1. School of M cr oel ect r oni cS, Shanghai Ji aot ong Uhi versity, Shanghai 200030, Chi na2. Advanced Sem conduct or Manf act uri ng Cor p of Shanghai, Shanghai 200233, Chi naAbstract: The pri nci pl e, char act eri sti cs andt he pr ospect of the BCDpr ocess were present ed. Thecompat i bi l ity of BD pr ocess i nt egr at i on was di scussed. We focused on t he pri nci pl e and concernson LDMOS technol ogy. The spl i tti ng of BDt echnol ogy i nt o t hree nai n di recti ons of hi gh vol tage,hi gh power and hi gh densi ty conbi ni ng wi ththe appl i cat i ons were i nt roduced. The updat e devel op-nent s of the BCD pr ocess was al so present ed. The two nar ket i ng trends of the power managementand t he di spl ay dri ver IC were i nt roduced. The chance and t he chal I enges to Chi nese conpany goi ngnt othi s hopef ul fi el dwer e al so di scussedKey wor ds: BCD process DM modul ar i zat i on hi gh vol tage hi gh densi ty1引言了解BCD工艺的特点,需要先了解双极管bi pol ar,CMDs和DMDs器件这三种器件的特点BCD是一种单片集成工艺技术。1986年由意法详见表半导体(ST)公司率先研制成功,这种技术能够BCD工艺把双极器件和CMS器件同时制作在在同一芯片上制作双极管 bi pol ar,CM和DD同一芯片上。它综合了双极器件高跨导、强负载驱器件,称为BCD工艺。动能力和CMOS集成度高、低功耗的优点,使其表1双极管 Bi pol ar,CMD和DD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加导电,驱动能力强,工作频率模拟电路对性能要求较高部分(高速、强驱动、高精度)高,集成度低CM器件集成度高,功耗低适合做逻辑处理,一些输入,也可做输出驱动ΩλD5器件高压大电流驱动(器件结构决定漏端能承受高压,模拟电路和驱动,尤其是高压功率部分,不适合做逻辑处理高集成度可在小面积内做超大WL)中国煤化工Sept ember 2006CN G31 N. 9 641s趋势与展望互相取长补短,发挥各自的优点。更为重要的是有源、漏、栅等电极,但是漏端击穿电压高。它集成了DMoS功率器件,DMOS可以在开关模式DMoS主要有两种类型,垂直双扩散金属氧化物下工作,功耗极低。不需要昂贵的封裝和冷却系统半导体场效应管 VDMOSFET( verti cal doub就可以将大功率传递给负载。低功耗是BCD工艺的 di ff used mosFet)和横向双扩散金属氧化物半个主要优点之一。整合过的BCD工艺制程,可导体场效应管 LDMOSFET( I ater al doubl e-dif大幅降低功率耗损,提高系统性能,节省电路的封fused moSFet)。装费用,并具有更好的可靠性LDMOS由于更容易与CMOs工艺兼容而被广2BCD工艺关键技术简介泛采用。 L DMOS器件结构如图1所示, L DMOS是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是在相2.1BCD工艺的基本要求同的源/漏区域注入两次,一次注入浓度较大(典首先,BCD工艺必须把双极器件、CMS器型注入剂量1015cm2)的砷(AS),另一次注入件和DMOS器件同时制作在同一芯片上,而且这浓度较小(典型剂量1013cm2)的硼(B)。注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、多层多晶硅的二氧化硅a氧化硅CMOS工艺)不应增加太多的工艺步骤。P阱n型外延n-漂移区2.2BCD工艺兼容性考虑1p型衬底BCD工艺典型器件包括低压CMOS管、高压MOS管、各种击穿电压的 L DMOS、垂直NPN图1LDM结构图管、垂直PNP管、横向PNP管、肖特基二极管、阱电阻、多晶电阻、金属电阻等;有些工艺甚至入之后再进行一个高温推进过程,由于硼扩散比还集成了 EEPROM结型场效应管」FET等器件砷快,所以在栅极边界下会沿着橫向扩散更远由于集成了如此丰富的器件,这就给电路设计者(图中P阱),形成一个有浓度梯度的沟道,它带来极大的灵活性,可以根据应用的需要来选择的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定最合适的器件,从而提高整个电路的性能为了增加击穿电压,在有源区和漏区之间有一个由于BCD工艺中器件种类多,必须做到高压漂移区。 L DMOS中的漂移区是该类器件设计的关器件和低压器件的兼容;双极工艺和CMoS工艺键,漂移区的杂质浓度比较低,因此,当 L DMOS的相兼容,尤其是要选择合适的隔离技术;为控接高压时,漂移区由于是高阻,能够承受更高的制制造成本,必须考虑光刻版的兼容性。考虑到电压。图1所示LDMD的多晶扩展到漂移区的场器件各区的特殊要求,为減少工艺制造用的光刻氧上面,充当场极板,会弱化漂移区的表面电版,应尽量使同种掺杂能兼容进行。因此,需要场,有利于提高击穿电压。场极板的作用大小与精确的工艺模拟和巧妙的工艺设计,有时必须在场极板的长度密切相关6。要使场极板能充分发性能与集成兼容性上作折中选择。通常BCD采用挥作用,一要设计好SQ层的厚度,二要设计好双阱工艺,有的工艺会采用三阱甚至四阱工艺来场极板的长度。制作不同击穿电压的高压器件DMos器件是由成百上千的单一结构的DMOS2.3DMS器件的结构、工作原理与特点[25单元所组成的。这些单元的数目是根据一个芯片所功率输出级DMoS管是此类电路的核心,往需要的驱动能力所决定的,DMOS的性能直接决定往占据整个芯片面积的1/2~2/3,它是整个集成了芯片的驱动能力和芯片面积。对于一个由多个基电路的关键。DMOS与CMOS器件结构类似,也本单元结构组YHi器件.且中一个最主要中国煤化工642半导体技术第31卷第9期CNMHG2006年9月趋势与展望Outlook features的考察参数是导通电阻,用Ra(on)表示。导侧重于提高产品的鲁棒性( r obust ness),以保证通电阻是指在器件工作时,从漏到源的电阻。对于在恶劣的环境下应用能够具备良好的性能和可靠LDMOS器件应尽可能减小导通电阻,就是BCD工性;另一个方面是如何降低成本。艺流程所追求的目标。当导通电阻很小时,器件就(3)高密度BCD会提供一个很好的开关特性,因为漏源之间小的导主要的电压范围是5~50V,一些汽车电子应通电阻,会有较大的输出电流,从而可以具有更强用会到70Ⅴ。在此应用领域,BCD技术将集成越的驱动能力。DMOS的主要技术指标有:导通电来越复杂的功能,今天,有的产品甚至集成了非阻、阈值电压、击穿电压等。挥发性存储器。许多电路集成密度如此之高,以对LDMS而言,外延层的厚度、掺杂浓度、致于需要采用数字设计的方法(如集成微控制漂移区的长度是其最重要的特性参数。我们可以通器)来实现最佳驱动以提高性能。这代表了持续过增加漂移区的长度以提高击穿电压,但是这会增增长的市场需求,即将信号处理器和功率激励部加芯片面积和导通电阻。高压DM器件耐压和导分同时集成在同一块芯片上。它不仅仅是缩小了通电阻取决于外延层的浓度、厚度及漂移区长度的系统体积和重量,更带来了高可靠性,减少了各折中选择。因为耐压和导通阻抗对于外延层的浓度种电磁接口。由于有着非常广阔的市场应用前和厚度的要求是矛盾的。高的击穿电压要求厚的轻景,代表了BCD工艺的主流方向,也是最大的应掺杂外延层和长的漂移区,而低的导通电阻则要求用领域。薄的重掺杂外延层和短的漂移区,因此必须选择最最新的BCD工艺趋向于采用先进的CMos工佳外延参数和漂移区长度,以便在满足一定的源漏艺平台,根据不同的应用场合呈现模块化和多样击穿电压的前提下,得到最小的导通电阻。另性的特点。高密度BCD工艺发展的一个显著趋势由于DMoS芯片面积大,对缺陷密度较敏感。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3BCD工艺发展趋势据应用需要选用或省略该模块。模块化代表了3.1BCD工艺发展方向78BCD工艺发展的一个显著特征,采用模块化的开BCD工艺技术的发展不像标准CMOs工艺那发方法,可以开发出多种不同类型的IC,在性样,一直遵循 Mor e定律向更小线宽、更快的速能、功能和成本上达到最佳折中,从而方便地实度方向发展。BCD工艺朝着三个方向分化发展现产品旳多样化,快速满足持续增长的市场需高压、高功率、高密度求。自0.6μm线宽以下BCD工艺普遍采用双栅(1)高压BCD氧,薄栅氧实现低压CMS,厚栅氧用于制造高主要的电压范围是500~700V,目前用来制此外,一种新型的大斜角注入工艺正造 L DMOS的唯一方法为 RESURF技术,原意为被采用以减少热过程。降低表面电场( reduced surface fiel d)910,在3.2BCD工艺新兴技术发展趋势7111979年由.A. Appel s等人提出。它是利用轻掺杂未来电子系统的主要市场是多媒体应用、便的外延层制作器件,使表面电场分布更加平坦从携性及互连性。这些系统中会包含越来越复杂的而改善表面击穿的特性,使击穿发生在体内而非高速IC,加上专用的多功能芯片来管理外围的显表面,从而提高器件的击穿电压。高压BCD主要的示、灯光、照相、音频、射频通信等。为实现应用领域是电子照明( el ect r oni c I ap bal I asts)低功耗和高效率功率模块,需要混合技术来提供和工业应用的功率控制高压能力和超低漏电以保证足够的待机时间,同(2)高功率BCD时在电池较低的电压供电下也能保持良好的性能,主要的电压范围是4090V,主要的应用为汽目前一些新兴BCD技术正在形成。车电子。它的需求特点是大电流驱动能力、中等电(1) HVCMOS·BCD主要用于彩色显示驱动压,而控制电路往往比较简单。因此主要发展趋势LCD和ED动( RE- RCD主要用于实现中国煤化工Sept ember 2006CN MH G31 N. 9 643s趋势与展望手机RF功率放大器输出级;(3) BCD- SO主要用于的挑战。尽管有技术和人才方面的挑战,但整体无线通信的XDSL驱动。SαI的方法有利于减少各而言,国内半导体厂商在电源管理IC市场应有不种寄生效应。很早就有相关研究,但是由于以前错的发展机会。国内模拟IC设计公司因为靠近信SoI材料很贵,没有得到广泛应用,只有最近几息、通信和消费性电子制造和代工系统厂商,通年Sα才正逐渐成为主流的方法,Sα是许多特定过完善的技术支持和厂商在产品设计和系统端频繁应用的上佳选择。互动等方式,在成本、功能和稳定性已达到水准4BCD工艺应用的国内外市场现状的情况下,有取代进口IC的趋势,未来市场发展潜力相当看好。再者,国内专业晶圆代工厂对模BCD工艺的主要应用领域为电源管理(电源和拟制程技术和资源投入逐渐增加,对国内模拟IC电池控制)、显示驱动、汽车电子、工业控制等设计业者无疑是一大帮助,现阶段国内电源管理领域。近年来,在显示驱动和电源管理两大市场驱IC占全球市场比重虽不及1%,但未来将有不少动下,BCD工艺备受关注,越来越多的公司进入的成长空间。该领域,进行相关工艺和产品的开发4.2显示驱动市场需求强劲144.1电源管理市场稳定增长[11显示驱动器是向LCD、等离子面板和OLED电源管理IC属于模拟IC,市场成长性稳定等平板显示器的行和列提供电压和/或电流的IC模拟技术的建立需要长时间累积,再加上模拟IC大尺寸LCD面板广泛使用这类IC,预计未来五年无法像数字IC一样有大量的电子设计自动化LCD电视机的出货量将迅速增长(EDA)工具和IP可重复使用,所以模拟IC的I Suppl i公司预测,由于LCD电视机、台式设计相当需要经验的累积,新兴厂商不易在短期PC显示器和移动电脑市场的需求增长,预计2009跨入造成杀价竞争,因而模拟IC价格不易大起大年大尺寸LCD面板的驱动IC市场几乎比2004年翻落倍。2009年全球大尺寸LCD驱动IC的出货量随着终端产品朝着轻薄短小、数字化和整合将从2004年的23亿美元增长至42亿美元,年复多功能三大趋势发展,电源管理IC的地位越来越合增长率为12.6%2009年这类驱动IC的单位出重要。近年来,在高度数字化趋势下,数字IC货量将从2004年的17亿只增长至42亿只,年复技术在工艺按比例缩小后对于电压的变化、电流合增长率为19.8%容忍和保护日益重要,不同的IC需要不同的供应4.3BCD工艺是制造电源管理、显示驱动等IC的电压,因而促成更多电源管理IC需求的兴起。便上佳选择携式产品一直都是电源管理IC主要的应用领域之显示驱动和电源管理IC一般使用 Bi CMOS或,近几年,该类产品如手机、数码相机、笔BCD工艺,由于工艺比标准CMOS工艺复杂,并记本电脑、MP3等发展非常迅速。在产量提高的且千差万别,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同时,便携式产品的性能也不断得到改进,功能工艺技术,是许多设计公司在市场竞争中成败的不断增加。便携式电子产品的升级,必然使其对电源管理IC提出更高的要求。电源管理类产品即关键因素之一。BCD工艺技术对代工企业( Foundry)同样意义重大,掌握BCD工艺技术使在半导体市场不景气的情况下,仍然保持了稳可以使代工企业获得大笔的订单。国内外的许多定的增长公司都加大投入力度,争相开发富有竞争力的然而,模拟IC设计相当需要经验的累积,技BCD工艺。术门槛高。“后进”的模拟ⅠC设计厂商切入此市场就得面临好手如云的情况,包括T, Li near,5小结Fai chi l d和 I nter si等老牌半导体公司都已在模拟总之,BCD工艺是一种先进的单片集成工艺技领域耕耘多年,因此模拟IC设计厂商仍面临不小中国煤化工转第6644半导体技术第31卷第9期CNMHG2006年9月技术专栏Technology Column区内没有形成大的涡流,符合层流流场的要求。Envi r onment, 2002, 37: 201-208.2] CONG M ZHOU Y MJI ANG Y. An aut omat ed4结论waf er-handl i ng syst embased on the i nt egr at ed ci rcui tequi pment s[ C// IEEE I nt er nat i onal Conf er ence on本文依据洁净室的设计标准,结合该工程的要Robot i cs and Bi om et i cs. Hong Kong and Macau,求,对硅片传输单元的洁净系统进行了结构和参数Chi na,2005:240·245[3]许钟麟.空气洁净技术原理[M.北京:科学出版社,2002的设计,给出了设计方案,并用CFD的方法对传[4]许钟麟.洁净室设计[M,北京:地震出版社,1998输机器人区域的气流组织进行了模拟验证,研发了5]徐文华,胡雨燕.SMF/微环境中数值模拟气流的研套洁净等级高,制造简单,成本低,且具有很究[」],建筑热能通风空调,2002(1):2-6[6] SHI U H R, HUANG H Y, CHEN S L, et al. Nu-高实用价值的硅片传输单元的洁净系统。其各项技neri cal si ml at i on for ai r fl owi n t he nini-enmvi ronnent术指标都已达到设计要求。and SM F encl osure[]. IEEE Tr ansact i ons on Semi-conduct or Manuf act ur i ng, 2003, 16(1):60-67参考文献收稿日期:20060426)[ 1] HU S C, CHUAH Y K, YEN M C. Desi gn and作者简介eval uat i on of a mi ni envi ronment for semi conduct or丛明(1963-),男,辽宁大连人,大连理工大学机械工程manuf acture pr ocesses[1. Bui l di ng and学院,教授,博士,目前主要从事半导体设备的研究与应用(上接第644页)术,是电源管理、显示驱动、汽车电子等IC制造nol ogy C//Pr oc of ESSDERC 2002. Fi renze, It al y,工艺的上佳选择,具有广阔的市场前景。今后2002:275-282[8 FU I SH MA N I WAYA M SAWADA Met al. A I ow on-BCD工艺仍将朝着高压、高功率、高密度三个方resi st ance trench I at er al power MOSFET i n a 0. 6um向分化发展。其中BCD技术与S技术相结合,是smart power technol ogy for 20-30V appl i cat i ons[ q/个非常重要的技术趋势/I EDM San Fr anci sco, CA 2002: 455-458[9] APPELS J A VAES H MJ. H gh vol t age thi n I ayer近年来,在市场的强劲驱动下,BCD技术倍levi ces( resuRF devi ces)[g//I EEE I nt El ectron De-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[ 10] APPELS J A CaLLER M HART P, et al. Thi n-I ayerH devi ces[ R]. Phi l i ps ]Res, 1980: 35善,国内微电子企业在此领域加大投入、增强合11] PARTHASARATHY V, ZHR KHEMA V, et al. A 0作,一定会大有作为。CMOs based 70V smart power t echnol ogy w t h deeptrench for hi gh- vol t age i sol at i on q// I EDM San参考文献:Franci sco, CA[1]谢世健.集成电路兼容技术[M.江苏:东南大学出版[12]俞忠钰,新市场成为产业增长新契机[N.中国电子报社,1994:101-108.2004:1-6.2] HASTI NGS A. The Art of Anal og Layout[M. 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