BCD_Bipolar_CMOS_DMOS_工艺技术的发展_现状及展望.docx

BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺技术的发展、现状及展望■陈铭[摘要]BCD工艺技术是符合扩展摩尔定律功能多样化发展的重要模拟集成电路技术。经过近三十年的发展，BCD工艺技术在特征尺寸缩小、高压器件的结构设计与优化、高低压隔离技术和金属互联的改进等方面取得巨大进步。本文简要介绍了BCD工艺技术的组成及特点，总结了BCD工艺技术的主要发展，对全球的开发现状进行了总结，并对BCD工艺技术的进一步发展进行了展望。[关键词]BCD工艺技术扩展摩尔定律BCDprocesstechnologySOI-BCD[中图分类号]TN402[文献标识码]A[文章编号]1674-2583(2014)07-0024-05术的发展路径进行了总结归纳和更新，其中以功能多样化为目标的扩展摩尔定律仍然是半导体技术发展的重要方向，见图1。扩展摩尔定律的实质是将不需严格遵从摩尔定律进行尺寸缩小的功能集中在同一芯片或封装中，以不同于CMOS数字电路的发展方式提供终端用户新增的使用价值。在模拟集成电路制造中广泛采用的BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺的出现和发展充分体现了扩展摩尔定律的这一内涵。陈铭上海贝岭股份有限公司1引言国际半导体技术路线图2011年版对半导体技图1国际半导体技术路线图(2011年版)24集成电路应用2014年7月APPLICATIONS应用专题图2BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺技术结构框图BCD工艺技术是SGSThomson公司于上世纪80年代中期发明的在当时极具创新性的集成电路工艺技术。如图2所示，BCD工艺技术在同一芯片上集成了具有精确模拟功能的双极型(Bipolar)器件、数字设计的CMOS器件和高压大功率结构的DMOS器件等不同器件。模拟电路作为外部世界与数字系统之间的接口，CMOS逻辑电路作为信号处理的核心，而高压/功率部分则用于驱动外部负载。BCD工艺技术集中了Bipolar晶体管噪声低、精度高和电流密度大，CMOS晶体管高集成度、低功耗、易逻辑控制，以及DMOS器件耐压高、开关速度快,输入阻抗高、驱动能力强、热稳定性好等特点。通过在同一芯片内的不同功能电路的集成减少了系统内部的互连，降低了电磁干扰，提高了系统的可靠性、稳定性，同时也降低了系统功耗、体积、重量和总成本，整体表现出极好的综合性能。因此，BCD工艺技术自从诞生以来，得到了半导体工业界的广泛接受，许多集成器件制造(IDM)厂商和晶圆代工(Foundry)厂都积极投入到BCD工艺技术的开发和技术进步过程中。2BCD工艺技术的发展BCD工艺技术的出现带来了模拟集成电路技术的革命性变化。经过近三十年的发展，BCD工艺技术在特征尺寸缩小、高压器件的结构设计优化、高低压隔离技术和金属互联改进等方面都取得了巨大的进步。2.1特征尺寸缩小在同一芯片上整合越来越复杂和多样化的功能以及在各种应用环境下实现高性能和高可靠性是推动BCD工艺技术的特征尺寸不断缩小的源动力。第一代BCD工艺技术基于双极型工艺平台，特征尺寸为4μm。此后的BCD工艺技术切换到基于CMOS工艺开发并随之进步的发展路径。BCD工艺技术的特征尺寸缩小与数字电路CMOS相类似，但是由于需要在数字电路的高密度和功率器件的高压大电流特性之间进行平衡，因此BCD工艺技术特征尺寸缩小的步伐相对较慢。2013年底，当英特尔公司完成14nm工艺节点的CPU和SoC两项数字电路新工艺开发时，意法半导体的BCD工艺技术开发刚进入到90nm的工艺节点。(a)VDMOS(正面引出)(b)LDMOS(c)LIGBT图3BCD工艺技术中的主要功率器件结构示意图2014年7月集成电路应用25应用专题APPLICATIONS图4采用PN结隔离的BCD工艺技术结构示意图图5采用深槽隔离(DTI)的BCD工艺技术结构示意图2.2功率器件的结构设计及优化在降低特征尺寸，获得更大的复杂性的同时，BCD工艺技术的其他的需求也得到了发展。BCD工艺技术中核心的功率器件的结构设计和性能优化也贯穿了BCD工艺技术进步的整个过程，主要功率器件的结构如图3所示。1986年ST推出的第一代BCD工艺技术是在双极型工艺的基础上加入从硅片正面引出的垂直双扩散MOS晶体管(VDMOS)，其基本结构如图3a所示。VDMOS的漏极通过n型重掺杂的埋层和Sinker结构引出到硅片正面。为了更好地和CMOS技术相兼容，从第二代BCD工艺技术开始，DMOS改为采用横向双扩散MOS晶体管(LDMOS)，并在小电流、高速开关的应用中得到广泛采用，其基本结构如图3b所示。LDMOS设计的主要目标是与CMOS工艺尽可能兼容，同时追求高的击穿电压和低的比导通电阻，并在这二者之间实现优化折衷。此外，ESD性能改善、抑制导通条件下热载流子注入效应和界面电荷的