1 引言

　　BCD是一種單片集成工藝技術(shù)。1986年由意法半導(dǎo)體(ST)公司率先研制成功，這種技術(shù)能夠在同一芯片上制作雙極管bipolar，CMOS和DMOS 器件，稱為BCD工藝。

　　了解BCD工藝的特點，需要先了解雙極管 bipolar，CMOS和DMOS器件這三種器件的特點，詳見表1。

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　　BCD工藝把雙極器件和CMOS器件同時制作在同一芯片上。它綜合了雙極器件高跨導(dǎo)、強負載驅(qū)動能力和CMOS集成度高、低功耗的優(yōu)點，使其互相取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)點。更為重要的是，它集成了DMOS功率器件，DMOS可以在開關(guān)模式下工作，功耗極低。不需要昂貴的封裝和冷卻系統(tǒng)就可以將大功率傳遞給負載。低功耗是BCD工藝的一個主要優(yōu)點之一。整合過的BCD工藝制程，可大幅降低功率耗損，提高系統(tǒng)性能，節(jié)省電路的封裝費用，并具有更好的可靠性。

　　2 BCD工藝關(guān)鍵技術(shù)簡介 2.1 BCD工藝的基本要求

　　首先，BCD工藝必須把雙極器件、CMOS器件和DMOS器件同時制作在同一芯片上，而且這三種器件在集成后應(yīng)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(yīng)具有更好的綜合性能;此外，相對于其中最復(fù)雜的工藝(如雙阱、多層布線、多層多晶硅的CMOS工藝)不應(yīng)增加太多的工藝步驟。

　　2.2 BCD工藝兼容性考慮[1]

　　BCD工藝典型器件包括低壓CMOS管、高壓 MOS管、各種擊穿電壓的LDMOS、垂直NPN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;有些工藝甚至還集成了EEPROM、結(jié)型場效應(yīng)管JFET等器件。由于集成了如此豐富的器件，這就給電路設(shè)計者帶來極大的靈活性，可以根據(jù)應(yīng)用的需要來選擇最合適的器件，從而提高整個電路的性能。

　　由于BCD工藝中器件種類多，必須做到高壓器件和低壓器件的兼容;雙極工藝和CMOS工藝的相兼容，尤其是要選擇合適的隔離技術(shù);為控制制造成本，必須考慮光刻版的兼容性。考慮到器件各區(qū)的特殊要求，為減少工藝制造用的光刻版，應(yīng)盡量使同種摻雜能兼容進行。因此，需要精確的工藝模擬和巧妙的工藝設(shè)計，有時必須在性能與集成兼容性上作折中選擇。通常BCD采用雙阱工藝，有的工藝會采用三阱甚至四阱工藝來制作不同擊穿電壓的高壓器件。

　　2.3 DMOS器件的結(jié)構(gòu)、工作原理與特點[2-5]

　　功率輸出級DMOS管是此類電路的核心，往往占據(jù)整個芯片面積的1/2～2/3，它是整個集成電路的關(guān)鍵。DMOS與CMOS器件結(jié)構(gòu)類似，也有源、漏、柵等電極，但是漏端擊穿電壓高。 DMOS主要有兩種類型，垂直雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管VDMOSFET( vertical double-diffused MOSFET)和橫向雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管LDMOSFET (lateral double-diffused MOSFET)。

　　LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。LDMOS器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，LDMOS是一種雙擴散結(jié)構(gòu)的功率器件。這項技術(shù)是在相同的源/漏區(qū)域注入兩次，一次注入濃度較大(典型注入劑量 1015cm-2)的砷(As)，另一次注入濃度較小(典型劑量1013cm-2)的硼(B)。注入之后再進行一個高溫推進過程，由于硼擴散比砷快，所以在柵極邊界下會沿著橫向擴散更遠(圖中P阱)，形成一個有濃度梯度的溝道，它的溝道長度由這兩次橫向擴散的距離之差決定。為了增加擊穿電壓，在有源區(qū)和漏區(qū)之間有一個漂移區(qū)。LDMOS中的漂移區(qū)是該類器件設(shè)計的關(guān)鍵，漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度比較低，因此，當(dāng)LDMOS 接高壓時，漂移區(qū)由于是高阻，能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴展到漂移區(qū)的場氧上面，充當(dāng)場極板，會弱化漂移區(qū)的表面電場，有利于提高擊穿電壓。場極板的作用大小與場極板的長度密切相關(guān)[6]。要使場極板能充分發(fā)揮作用，一要設(shè)計好SiO2層的厚度，二要設(shè)計好場極板的長度。

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　　DMOS器件是由成百上千的單一結(jié)構(gòu)的DMOS 單元所組成的。這些單元的數(shù)目是根據(jù)一個芯片所需要的驅(qū)動能力所決定的，DMOS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LDMOS器件，其中一個最主要的考察參數(shù)是導(dǎo)通電阻，用R ds(on)表示。導(dǎo)通電阻是指在器件工作時，從漏到源的電阻。對于 LDMOS器件應(yīng)盡可能減小導(dǎo)通電阻，就是BCD工藝流程所追求的目標。當(dāng)導(dǎo)通電阻很小時，器件就會提供一個很好的開關(guān)特性，因為漏源之間小的導(dǎo)通電阻，會有較大的輸出電流，從而可以具有更強的驅(qū)動能力。DMOS的主要技術(shù)指標有：導(dǎo)通電阻、閾值電壓、擊穿電壓等。

　　對LDMOS而言，外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區(qū)的長度是其最重要的特性參數(shù)。我們可以通過增加漂移區(qū)的長度以提高擊穿電壓，但是這會增加芯片面積和導(dǎo)通電阻。高壓DMOS器件耐壓和導(dǎo)通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區(qū)長度的折中選擇。因為耐壓和導(dǎo)通阻抗對于外延層的濃度和厚度的要求是矛盾的。高的擊穿電壓要求厚的輕摻雜外延層和長的漂移區(qū)，而低的導(dǎo)通電阻則要求薄的重摻雜外延層和短的漂移區(qū)，因此必須選擇最佳外延參數(shù)和漂移區(qū)長度，以便在滿足一定的源漏擊穿電壓的前提下，得到最小的導(dǎo)通電阻。另外，由于DMOS芯片面積大，對缺陷密度較敏感。

　　3 BCD工藝發(fā)展趨勢?

??????? 3.1 BCD工藝發(fā)展方向[7-8]

　　BCD工藝技術(shù)的發(fā)展不像標準CMOS工藝那樣，一直遵循Moore定律向更小線寬、更快的速度方向發(fā)展。BCD工藝朝著三個方向分化發(fā)展：高壓、高功率、高密度。

　　⑴高壓BCD

　　主要的電壓范圍是500～700V，目前用來制造LDMOS的唯一方法為RESURF技術(shù)，原意為降低表面電場( reduced surface field)[9-10]，在1979年由J.A.Appels等人提出。它是利用輕摻雜的外延層制作器件，使表面電場分布更加平坦從而改善表面擊穿的特性，使擊穿發(fā)生在體內(nèi)而非表面,從而提高器件的擊穿電壓。高壓BCD主要的應(yīng)用領(lǐng)域是電子照明( electronic lamp ballasts)和工業(yè)應(yīng)用的功率控制。

　　⑵高功率BCD

　　主要的電壓范圍是40～90V，主要的應(yīng)用為汽車電子。它的需求特點是大電流驅(qū)動能力、中等電壓，而控制電路往往比較簡單。因此主要發(fā)展趨勢

　　側(cè)重于提高產(chǎn)品的魯棒性(robustness)，以保證在惡劣的環(huán)境下應(yīng)用能夠具備良好的性能和可靠性;另一個方面是如何降低成本。

　　⑶高密度BCD

　　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，今天，有的產(chǎn)品甚至集成了非揮發(fā)性存儲器。許多電路集成密度如此之高，以致于需要采用數(shù)字設(shè)計的方法(如集成微控制器)來實現(xiàn)最佳驅(qū)動以提高性能。這代表了持續(xù)增長的市場需求，即將信號處理器和功率激勵部分同時集成在同一塊芯片上。它不僅僅是縮小了系統(tǒng)體積和重量，更帶來了高可靠性，減少了各種電磁接口。由于有著非常廣闊的市場應(yīng)用前景，代表了BCD工藝的主流方向，也是最大的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　最新的BCD工藝趨向于采用先進的CMOS工藝平臺，根據(jù)不同的應(yīng)用場合呈現(xiàn)模塊化和多樣性的特點。高密度BCD工藝發(fā)展的一個顯著趨勢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，根據(jù)應(yīng)用需要選用或省略該模塊。模塊化代表了BCD工藝發(fā)展的一個顯著特征，采用模塊化的開發(fā)方法，可以開發(fā)出多種不同類型的IC，在性能、功能和成本上達到最佳折中，從而方便地實現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化，快速滿足持續(xù)增長的市場需求。自0.6μm線寬以下BCD工藝普遍采用雙柵氧，薄柵氧實現(xiàn)低壓CMOS，厚柵氧用于制造高壓DMOS。此外，一種新型的大斜角注入工藝正被采用以減少熱過程。

　　3.2 BCD工藝新興技術(shù)發(fā)展趨勢[7,11]

　　未來電子系統(tǒng)的主要市場是多媒體應(yīng)用、便攜性及互連性。這些系統(tǒng)中會包含越來越復(fù)雜的高速IC，加上專用的多功能芯片來管理外圍的顯示、燈光、照相、音頻、射頻通信等。為實現(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足夠的待機時間，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(shù)正在形成。

　　⑴HVCMOS-BCD主要用于彩色顯示驅(qū)動(LCD和OLED驅(qū)動); ⑵RF-BCD主要用于實現(xiàn)

　　手機RF功率放大器輸出級;⑶BCD-SOI主要用于無線通信的XDSL驅(qū)動。SOI的方法有利于減少各種寄生效應(yīng)。很早就有相關(guān)研究，但是由于以前 SOI材料很貴，沒有得到廣泛應(yīng)用，只有最近幾年SOI才正逐漸成為主流的方法，SOI是許多特定應(yīng)用的上佳選擇。 4 BCD工藝應(yīng)用的國內(nèi)外市場現(xiàn)狀

　　BCD工藝的主要應(yīng)用領(lǐng)域為電源管理(電源和電池控制)、顯示驅(qū)動、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。近年來，在顯示驅(qū)動和電源管理兩大市場驅(qū)動下，BCD工藝備受關(guān)注，越來越多的公司進入該領(lǐng)域，進行相關(guān)工藝和產(chǎn)品的開發(fā)。

　　4.1 電源管理市場穩(wěn)定增長[12-13]

　　電源管理IC屬于模擬IC，市場成長性穩(wěn)定。模擬技術(shù)的建立需要長時間累積，再加上模擬IC無法像數(shù)字IC一樣有大量的電子設(shè)計自動化(EDA)工具和IP可重復(fù)使用，所以模擬IC的設(shè)計相當(dāng)需要經(jīng)驗的累積，新興廠商不易在短期跨入造成殺價競爭，因而模擬IC價格不易大起大落。

　　隨著終端產(chǎn)品朝著輕薄短小、數(shù)字化和整合多功能三大趨勢發(fā)展，電源管理IC的地位越來越重要。近年來，在高度數(shù)字化趨勢下，數(shù)字IC 技術(shù)在工藝按比例縮小后對于電壓的變化、電流容忍和保護日益重要，不同的IC需要不同的供應(yīng)電壓，因而促成更多電源管理IC需求的興起。便攜式產(chǎn)品一直都是電源管理IC主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，近幾年，該類產(chǎn)品如手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦、MP3等發(fā)展非常迅速。在產(chǎn)量提高的同時，便攜式產(chǎn)品的性能也不斷得到改進，功能不斷增加。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)品即使在半導(dǎo)體市場不景氣的情況下，仍然保持了穩(wěn)定的增長。

　　然而，模擬IC設(shè)計相當(dāng)需要經(jīng)驗的累積，技術(shù)門檻高。“后進”的模擬IC設(shè)計廠商切入此市場就得面臨好手如云的情況，包括TI ，Linear，Fairchild和Intersil等老牌半導(dǎo)體公司都已在模擬領(lǐng)域耕耘多年，因此模擬IC設(shè)計廠商仍面臨不小

　　的挑戰(zhàn)。盡管有技術(shù)和人才方面的挑戰(zhàn)，但整體而言，國內(nèi)半導(dǎo)體廠商在電源管理IC市場應(yīng)有不錯的發(fā)展機會。國內(nèi)模擬IC設(shè)計公司因為靠近信息、通信和消費性電子制造和代工系統(tǒng)廠商，通過完善的技術(shù)支持和廠商在產(chǎn)品設(shè)計和系統(tǒng)端頻繁互動等方式，在成本、功能和穩(wěn)定性已達到水準的情況下，有取代進口IC的趨勢，未來市場發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)看好。再者，國內(nèi)專業(yè)晶圓代工廠對模擬制程技術(shù)和資源投入逐漸增加，對國內(nèi)模擬IC 設(shè)計業(yè)者無疑是一大幫助，現(xiàn)階段國內(nèi)電源管理IC占全球市場比重雖不及1%，但未來將有不少的成長空間。

　　4.2 顯示驅(qū)動市場需求強勁[14]

　　顯示驅(qū)動器是向LCD、等離子面板和OLED 等平板顯示器的行和列提供電壓和/或電流的IC。大尺寸LCD面板廣泛使用這類IC，預(yù)計未來五年 LCD電視機的出貨量將迅速增長。

　　ISuppli公司預(yù)測，由于LCD電視機、臺式 PC顯示器和移動電腦市場的需求增長，預(yù)計2009年大尺寸LCD面板的驅(qū)動IC市場幾乎比2004年翻一倍。2009年全球大尺寸LCD驅(qū)動IC的出貨量將從2004年的23億美元增長至42億美元，年復(fù)合增長率為12.6%。2009年這類驅(qū)動IC的單位出貨量將從2004年的17億只增長至42億只，年復(fù)合增長率為19.8%。

　　4.3 BCD工藝是制造電源管理、顯示驅(qū)動等IC的上佳選擇

　　顯示驅(qū)動和電源管理IC一般使用BiCMOS或 BCD工藝，由于工藝比標準CMOS工藝復(fù)雜，并且千差萬別，許多設(shè)計公司(如Fabless)由于沒有相應(yīng)的工藝被迫退出。因此，能否掌握BCD 工藝技術(shù)，是許多設(shè)計公司在市場競爭中成敗的關(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)可以使代工企業(yè)獲得大筆的訂單。國內(nèi)外的許多公司都加大投入力度，爭相開發(fā)富有競爭力的BCD工藝。

　　5 小結(jié)

　　總之，BCD工藝是一種先進的單片集成工藝技術(shù)，是電源管理、顯示驅(qū)動、汽車電子等IC制造工藝的上佳選擇，具有廣闊的市場前景。今后，BCD工藝仍將朝著高壓、高功率、高密度三個方向分化發(fā)展。其中BCD技術(shù)與SOI技術(shù)相結(jié)合，是一個非常重要的技術(shù)趨勢。