趨勢與展望Outlook featuresBCD工藝概述陳志勇1,黃其煜2,龔大衛(wèi)2(1.上海交通大學微電子學院,上海200030上海先進半導體制造股份有限公司,上海200233摘要:介紹了BCD( bi pol ar CMOs DMOS)的工藝原理、特點和發(fā)展前景。對BCD工藝兼容性進行了說明,著重闡述了 LDMOS的工藝原理和關(guān)鍵工藝設計考慮。文章結(jié)合應用,指出BCD工藝朝著高壓、高功率、高密度三個主要方向分化發(fā)展,并對BCD工藝的最新進展作了概述。對電源管理和顯示驅(qū)動這兩大市場驅(qū)動進行了分析,并對國內(nèi)企業(yè)進入該領(lǐng)域所面臨的機會與挑戰(zhàn)作了闡述與展望。關(guān)鍵詞:BCD工藝;雙擴散金屬氧化物半導體管;模塊化;高壓;高密度中圖分類號:T№B05.7文獻標識碼A文章編號: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工藝的特點,需要先了解雙極管bi pol ar,CMDs和DMDs器件這三種器件的特點BCD是一種單片集成工藝技術(shù)。1986年由意法詳見表半導體(ST)公司率先研制成功,這種技術(shù)能夠BCD工藝把雙極器件和CMS器件同時制作在在同一芯片上制作雙極管 bi pol ar,CM和DD同一芯片上。它綜合了雙極器件高跨導、強負載驅(qū)器件,稱為BCD工藝。動能力和CMOS集成度高、低功耗的優(yōu)點,使其表1雙極管 Bi pol ar,CMD和DD器件的特點器件類別器件特點應用雙極器件兩種載流子都參加導電,驅(qū)動能力強,工作頻率模擬電路對性能要求較高部分(高速、強驅(qū)動、高精度)高,集成度低CM器件集成度高,功耗低適合做邏輯處理,一些輸入,也可做輸出驅(qū)動ΩλD5器件高壓大電流驅(qū)動(器件結(jié)構(gòu)決定漏端能承受高壓,模擬電路和驅(qū)動,尤其是高壓功率部分,不適合做邏輯處理高集成度可在小面積內(nèi)做超大WL)中國煤化工Sept ember 2006CN G31 N. 9 641s趨勢與展望互相取長補短,發(fā)揮各自的優(yōu)點。更為重要的是有源、漏、柵等電極,但是漏端擊穿電壓高。它集成了DMoS功率器件,DMOS可以在開關(guān)模式DMoS主要有兩種類型,垂直雙擴散金屬氧化物下工作,功耗極低。不需要昂貴的封裝和冷卻系統(tǒng)半導體場效應管 VDMOSFET( verti cal doub就可以將大功率傳遞給負載。低功耗是BCD工藝的 di ff used mosFet)和橫向雙擴散金屬氧化物半個主要優(yōu)點之一。整合過的BCD工藝制程,可導體場效應管 LDMOSFET( I ater al doubl e-dif大幅降低功率耗損,提高系統(tǒng)性能,節(jié)省電路的封fused moSFet)。裝費用,并具有更好的可靠性LDMOS由于更容易與CMOs工藝兼容而被廣2BCD工藝關(guān)鍵技術(shù)簡介泛采用。 L DMOS器件結(jié)構(gòu)如圖1所示, L DMOS是一種雙擴散結(jié)構(gòu)的功率器件。這項技術(shù)是在相2.1BCD工藝的基本要求同的源/漏區(qū)域注入兩次,一次注入濃度較大(典首先,BCD工藝必須把雙極器件、CMS器型注入劑量1015cm2)的砷(AS),另一次注入件和DMOS器件同時制作在同一芯片上,而且這濃度較小(典型劑量1013cm2)的硼(B)。注三種器件在集成后應基本上能具有各自分立時所具有的良好性能;其次,BCD工藝制造出來的芯片應具有更好的綜合性能;此外,相對于其中最復雜的工藝(如雙阱、多層布線、多層多晶硅的二氧化硅a氧化硅CMOS工藝)不應增加太多的工藝步驟。P阱n型外延n-漂移區(qū)2.2BCD工藝兼容性考慮1p型襯底BCD工藝典型器件包括低壓CMOS管、高壓MOS管、各種擊穿電壓的 L DMOS、垂直NPN圖1LDM結(jié)構(gòu)圖管、垂直PNP管、橫向PNP管、肖特基二極管、阱電阻、多晶電阻、金屬電阻等;有些工藝甚至入之后再進行一個高溫推進過程,由于硼擴散比還集成了 EEPROM結(jié)型場效應管」FET等器件砷快,所以在柵極邊界下會沿著橫向擴散更遠由于集成了如此豐富的器件,這就給電路設計者(圖中P阱),形成一個有濃度梯度的溝道,它帶來極大的靈活性,可以根據(jù)應用的需要來選擇的溝道長度由這兩次橫向擴散的距離之差決定最合適的器件,從而提高整個電路的性能為了增加擊穿電壓,在有源區(qū)和漏區(qū)之間有一個由于BCD工藝中器件種類多,必須做到高壓漂移區(qū)。 L DMOS中的漂移區(qū)是該類器件設計的關(guān)器件和低壓器件的兼容;雙極工藝和CMoS工藝鍵,漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度比較低,因此,當 L DMOS的相兼容,尤其是要選擇合適的隔離技術(shù);為控接高壓時,漂移區(qū)由于是高阻,能夠承受更高的制制造成本,必須考慮光刻版的兼容性?？紤]到電壓。圖1所示LDMD的多晶擴展到漂移區(qū)的場器件各區(qū)的特殊要求,為減少工藝制造用的光刻氧上面,充當場極板,會弱化漂移區(qū)的表面電版,應盡量使同種摻雜能兼容進行。因此,需要場,有利于提高擊穿電壓。場極板的作用大小與精確的工藝模擬和巧妙的工藝設計,有時必須在場極板的長度密切相關(guān)6。要使場極板能充分發(fā)性能與集成兼容性上作折中選擇。通常BCD采用揮作用,一要設計好SQ層的厚度,二要設計好雙阱工藝,有的工藝會采用三阱甚至四阱工藝來場極板的長度。制作不同擊穿電壓的高壓器件DMos器件是由成百上千的單一結(jié)構(gòu)的DMOS2.3DMS器件的結(jié)構(gòu)、工作原理與特點[25單元所組成的。這些單元的數(shù)目是根據(jù)一個芯片所功率輸出級DMoS管是此類電路的核心,往需要的驅(qū)動能力所決定的,DMOS的性能直接決定往占據(jù)整個芯片面積的1/2~2/3,它是整個集成了芯片的驅(qū)動能力和芯片面積。對于一個由多個基電路的關(guān)鍵。DMOS與CMOS器件結(jié)構(gòu)類似,也本單元結(jié)構(gòu)組YHi器件.且中一個最主要中國煤化工642半導體技術(shù)第31卷第9期CNMHG2006年9月趨勢與展望Outlook features的考察參數(shù)是導通電阻,用Ra(on)表示。導側(cè)重于提高產(chǎn)品的魯棒性( r obust ness),以保證通電阻是指在器件工作時,從漏到源的電阻。對于在惡劣的環(huán)境下應用能夠具備良好的性能和可靠LDMOS器件應盡可能減小導通電阻,就是BCD工性;另一個方面是如何降低成本。藝流程所追求的目標。當導通電阻很小時,器件就(3)高密度BCD會提供一個很好的開關(guān)特性,因為漏源之間小的導主要的電壓范圍是5~50V,一些汽車電子應通電阻,會有較大的輸出電流,從而可以具有更強用會到70Ⅴ。在此應用領(lǐng)域,BCD技術(shù)將集成越的驅(qū)動能力。DMOS的主要技術(shù)指標有:導通電來越復雜的功能,今天,有的產(chǎn)品甚至集成了非阻、閾值電壓、擊穿電壓等。揮發(fā)性存儲器。許多電路集成密度如此之高,以對LDMS而言,外延層的厚度、摻雜濃度、致于需要采用數(shù)字設計的方法(如集成微控制漂移區(qū)的長度是其最重要的特性參數(shù)。我們可以通器)來實現(xiàn)最佳驅(qū)動以提高性能。這代表了持續(xù)過增加漂移區(qū)的長度以提高擊穿電壓,但是這會增增長的市場需求,即將信號處理器和功率激勵部加芯片面積和導通電阻。高壓DM器件耐壓和導分同時集成在同一塊芯片上。它不僅僅是縮小了通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區(qū)長度的系統(tǒng)體積和重量,更帶來了高可靠性,減少了各折中選擇。因為耐壓和導通阻抗對于外延層的濃度種電磁接口。由于有著非常廣闊的市場應用前和厚度的要求是矛盾的。高的擊穿電壓要求厚的輕景,代表了BCD工藝的主流方向,也是最大的應摻雜外延層和長的漂移區(qū),而低的導通電阻則要求用領(lǐng)域。薄的重摻雜外延層和短的漂移區(qū),因此必須選擇最最新的BCD工藝趨向于采用先進的CMos工佳外延參數(shù)和漂移區(qū)長度,以便在滿足一定的源漏藝平臺,根據(jù)不同的應用場合呈現(xiàn)模塊化和多樣擊穿電壓的前提下,得到最小的導通電阻。另性的特點。高密度BCD工藝發(fā)展的一個顯著趨勢由于DMoS芯片面積大,對缺陷密度較敏感。是模塊化的工藝開發(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準模塊,根3BCD工藝發(fā)展趨勢據(jù)應用需要選用或省略該模塊。模塊化代表了3.1BCD工藝發(fā)展方向78BCD工藝發(fā)展的一個顯著特征,采用模塊化的開BCD工藝技術(shù)的發(fā)展不像標準CMOs工藝那發(fā)方法,可以開發(fā)出多種不同類型的IC,在性樣,一直遵循 Mor e定律向更小線寬、更快的速能、功能和成本上達到最佳折中,從而方便地實度方向發(fā)展。BCD工藝朝著三個方向分化發(fā)展現(xiàn)產(chǎn)品旳多樣化,快速滿足持續(xù)增長的市場需高壓、高功率、高密度求。自0.6μm線寬以下BCD工藝普遍采用雙柵(1)高壓BCD氧,薄柵氧實現(xiàn)低壓CMS,厚柵氧用于制造高主要的電壓范圍是500~700V,目前用來制此外,一種新型的大斜角注入工藝正造 L DMOS的唯一方法為 RESURF技術(shù),原意為被采用以減少熱過程。降低表面電場( reduced surface fiel d)910,在3.2BCD工藝新興技術(shù)發(fā)展趨勢7111979年由.A. Appel s等人提出。它是利用輕摻雜未來電子系統(tǒng)的主要市場是多媒體應用、便的外延層制作器件,使表面電場分布更加平坦從攜性及互連性。這些系統(tǒng)中會包含越來越復雜的而改善表面擊穿的特性,使擊穿發(fā)生在體內(nèi)而非高速IC,加上專用的多功能芯片來管理外圍的顯表面,從而提高器件的擊穿電壓。高壓BCD主要的示、燈光、照相、音頻、射頻通信等。為實現(xiàn)應用領(lǐng)域是電子照明( el ect r oni c I ap bal I asts)低功耗和高效率功率模塊,需要混合技術(shù)來提供和工業(yè)應用的功率控制高壓能力和超低漏電以保證足夠的待機時間,同(2)高功率BCD時在電池較低的電壓供電下也能保持良好的性能,主要的電壓范圍是4090V,主要的應用為汽目前一些新興BCD技術(shù)正在形成。車電子。它的需求特點是大電流驅(qū)動能力、中等電(1) HVCMOS·BCD主要用于彩色顯示驅(qū)動壓,而控制電路往往比較簡單。因此主要發(fā)展趨勢LCD和ED動( RE- RCD主要用于實現(xiàn)中國煤化工Sept ember 2006CN MH G31 N. 9 643s趨勢與展望手機RF功率放大器輸出級;(3) BCD- SO主要用于的挑戰(zhàn)。盡管有技術(shù)和人才方面的挑戰(zhàn),但整體無線通信的XDSL驅(qū)動。SαI的方法有利于減少各而言,國內(nèi)半導體廠商在電源管理IC市場應有不種寄生效應。很早就有相關(guān)研究,但是由于以前錯的發(fā)展機會。國內(nèi)模擬IC設計公司因為靠近信SoI材料很貴,沒有得到廣泛應用,只有最近幾息、通信和消費性電子制造和代工系統(tǒng)廠商,通年Sα才正逐漸成為主流的方法,Sα是許多特定過完善的技術(shù)支持和廠商在產(chǎn)品設計和系統(tǒng)端頻繁應用的上佳選擇?；拥确绞?在成本、功能和穩(wěn)定性已達到水準4BCD工藝應用的國內(nèi)外市場現(xiàn)狀的情況下,有取代進口IC的趨勢,未來市場發(fā)展?jié)摿ο喈斂春?。再?國內(nèi)專業(yè)晶圓代工廠對模BCD工藝的主要應用領(lǐng)域為電源管理(電源和擬制程技術(shù)和資源投入逐漸增加,對國內(nèi)模擬IC電池控制)、顯示驅(qū)動、汽車電子、工業(yè)控制等設計業(yè)者無疑是一大幫助,現(xiàn)階段國內(nèi)電源管理領(lǐng)域。近年來,在顯示驅(qū)動和電源管理兩大市場驅(qū)IC占全球市場比重雖不及1%,但未來將有不少動下,BCD工藝備受關(guān)注,越來越多的公司進入的成長空間。該領(lǐng)域,進行相關(guān)工藝和產(chǎn)品的開發(fā)4.2顯示驅(qū)動市場需求強勁144.1電源管理市場穩(wěn)定增長[11顯示驅(qū)動器是向LCD、等離子面板和OLED電源管理IC屬于模擬IC,市場成長性穩(wěn)定等平板顯示器的行和列提供電壓和/或電流的IC模擬技術(shù)的建立需要長時間累積,再加上模擬IC大尺寸LCD面板廣泛使用這類IC,預計未來五年無法像數(shù)字IC一樣有大量的電子設計自動化LCD電視機的出貨量將迅速增長(EDA)工具和IP可重復使用,所以模擬IC的I Suppl i公司預測,由于LCD電視機、臺式設計相當需要經(jīng)驗的累積,新興廠商不易在短期PC顯示器和移動電腦市場的需求增長,預計2009跨入造成殺價競爭,因而模擬IC價格不易大起大年大尺寸LCD面板的驅(qū)動IC市場幾乎比2004年翻落倍。2009年全球大尺寸LCD驅(qū)動IC的出貨量隨著終端產(chǎn)品朝著輕薄短小、數(shù)字化和整合將從2004年的23億美元增長至42億美元,年復多功能三大趨勢發(fā)展,電源管理IC的地位越來越合增長率為12.6%2009年這類驅(qū)動IC的單位出重要。近年來,在高度數(shù)字化趨勢下,數(shù)字IC貨量將從2004年的17億只增長至42億只,年復技術(shù)在工藝按比例縮小后對于電壓的變化、電流合增長率為19.8%容忍和保護日益重要,不同的IC需要不同的供應4.3BCD工藝是制造電源管理、顯示驅(qū)動等IC的電壓,因而促成更多電源管理IC需求的興起。便上佳選擇攜式產(chǎn)品一直都是電源管理IC主要的應用領(lǐng)域之顯示驅(qū)動和電源管理IC一般使用 Bi CMOS或,近幾年,該類產(chǎn)品如手機、數(shù)碼相機、筆BCD工藝,由于工藝比標準CMOS工藝復雜,并記本電腦、MP3等發(fā)展非常迅速。在產(chǎn)量提高的且千差萬別,許多設計公司(如 Fabless)由于沒有相應的工藝被迫退出。因此,能否掌握BCD同時,便攜式產(chǎn)品的性能也不斷得到改進,功能工藝技術(shù),是許多設計公司在市場競爭中成敗的不斷增加。便攜式電子產(chǎn)品的升級,必然使其對電源管理IC提出更高的要求。電源管理類產(chǎn)品即關(guān)鍵因素之一。BCD工藝技術(shù)對代工企業(yè)( Foundry)同樣意義重大,掌握BCD工藝技術(shù)使在半導體市場不景氣的情況下,仍然保持了穩(wěn)可以使代工企業(yè)獲得大筆的訂單。國內(nèi)外的許多定的增長公司都加大投入力度,爭相開發(fā)富有競爭力的然而,模擬IC設計相當需要經(jīng)驗的累積,技BCD工藝。術(shù)門檻高?！昂筮M”的模擬ⅠC設計廠商切入此市場就得面臨好手如云的情況,包括T, Li near,5小結(jié)Fai chi l d和 I nter si等老牌半導體公司都已在模擬總之,BCD工藝是一種先進的單片集成工藝技領(lǐng)域耕耘多年,因此模擬IC設計廠商仍面臨不小中國煤化工轉(zhuǎn)第6644半導體技術(shù)第31卷第9期CNMHG2006年9月技術(shù)專欄Technology Column區(qū)內(nèi)沒有形成大的渦流,符合層流流場的要求。Envi r onment, 2002, 37: 201-208.2] CONG M ZHOU Y MJI ANG Y. An aut omat ed4結(jié)論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本文依據(jù)潔凈室的設計標準,結(jié)合該工程的要Robot i cs and Bi om et i cs. Hong Kong and Macau,求,對硅片傳輸單元的潔凈系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)Chi na,2005:240·245[3]許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理[M.北京:科學出版社,2002的設計,給出了設計方案,并用CFD的方法對傳[4]許鐘麟.潔凈室設計[M,北京:地震出版社,1998輸機器人區(qū)域的氣流組織進行了模擬驗證,研發(fā)了5]徐文華,胡雨燕.SMF/微環(huán)境中數(shù)值模擬氣流的研套潔凈等級高,制造簡單,成本低,且具有很究[」],建筑熱能通風空調(diào),2002(1):2-6[6] SHI U H R, HUANG H Y, CHEN S L, et al. Nu-高實用價值的硅片傳輸單元的潔凈系統(tǒng)。其各項技neri cal si ml at i on for ai r fl owi n t he nini-enmvi ronnent術(shù)指標都已達到設計要求。and SM F encl osure[]. IEEE Tr ansact i ons on Semi-conduct or Manuf act ur i ng, 2003, 16(1):60-67參考文獻收稿日期:20060426)[ 1] HU S C, CHUAH Y K, YEN M C. Desi gn and作者簡介eval uat i on of a mi ni envi ronment for semi conduct or叢明(1963-),男,遼寧大連人,大連理工大學機械工程manuf acture pr ocesses[1. Bui l di ng and學院,教授,博士,目前主要從事半導體設備的研究與應用(上接第644頁)術(shù),是電源管理、顯示驅(qū)動、汽車電子等IC制造nol ogy C//Pr oc of ESSDERC 2002. Fi renze, It al y,工藝的上佳選擇,具有廣闊的市場前景。今后2002:275-282[8 FU I SH MA N I WAYA M SAWADA Met al. A I ow on-BCD工藝仍將朝著高壓、高功率、高密度三個方resi st ance trench I at er al power MOSFET i n a 0. 6um向分化發(fā)展。其中BCD技術(shù)與S技術(shù)相結(jié)合,是smart power technol ogy for 20-30V appl i cat i ons[ q/個非常重要的技術(shù)趨勢/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近年來,在市場的強勁驅(qū)動下,BCD技術(shù)倍levi ces( resuRF devi ces)[g//I EEE I nt El ectron De-受國內(nèi)外業(yè)界所關(guān)注。盡管BCD工藝復雜,技術(shù)門檻較高,但是,隨著國內(nèi)微電子產(chǎn)業(yè)鏈的日臻完[ 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,國內(nèi)微電子企業(yè)在此領(lǐng)域加大投入、增強合11] PARTHASARATHY V, ZHR KHEMA V, et al. 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Si mul at i ons of004年3月,進入上海交通大學微電子學院攻讀工程碩士學位,現(xiàn)為上海先進半導體制造股份有限公司資深工藝集成工程師,從事BCD工藝、a new CMos compat i bl e met hod to enhance the br eak-EEPROM工藝研制及相關(guān)產(chǎn)品的良率提升down vol t age of hi ghl y-doped shal l ow PNj unct i ons [q/黃其煜,男,1997年本科畢業(yè)于北京大學物理學系,隨后在美國L, Switzer I and 420-42弗吉尼亞大學取得碩土和博士學位,現(xiàn)在在上海交通大學微電子學院擔任[7] CONTI ERO C, ANDREIN A, GAL BI ATI P. Roadma講師,主要研究方向為半導體器件、納米材料與器件、微加工工藝等di f fer ent i at i on and emer gi ng trends i n BCD tech-中國煤化工Sept eber 2006CNMHG31№b.9659