科普 | BCD工艺凭什么成为主流？

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2023-11-05 01:11

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什么是BCD工艺？

BCD工艺是1986年由ST首次推出的一种单晶片集成工艺技术，这种技术能够在同一芯片上制作双极管bipolar，CMOS和DMOS 器件，它的出现大大地减小了芯片的面积。

可以说，BCD工艺充分发挥了Bipolar驱动能力、CMOS高集成度和低功耗、DMOS高压大电流通流能力的优势。其中，DMOS是提升功率和集成度的关键。随着集成电路工艺的进一步发展，BCD工艺已经成为PMIC的主流制造技术。

BCD工艺截面图，图源网络，谢谢

BCD工艺的优势

BCD工艺把Bipolar器件、CMOS器件、DMOS功率器件同时制作在同一芯片上，整合了双极器件Bipolar的高跨导、强负载驱动能力和CMOS的高集成度、低功耗，使其互相取长补短，发挥各自的优点；同时DMOS可以在开关模式下工作，功耗极低。

总而言之，低功耗、能效高、集成度高是BCD的主要优点之一。BCD工艺可大幅降低功率耗损，提高系统性能，具有更好的可靠性。电子产品功能与日俱增，对于电压的变化、电容的保护和电池寿命的延长要求日益重要，而BCD所具备的高速节能的特点满足对高性能模拟/电源管理芯片的工艺需求。

BCD工艺的关键技术

BCD工艺典型器件包括低压CMOS、高压MOS管、各种击穿电压的LDMOS、垂直NPN/PNP和肖特基二极管等，有些工艺还集成了JFET、EEPROM等器件，导致BCD工艺中器件种类多，因此在设计中除了要考虑高压器件和低压器件以及双击工艺和CMOS工艺等的兼容性，还要考虑合适的隔离技术。

在BCD隔离技术上相继出现了结隔离、自隔离和介质隔离等多项技术。结隔离技术是将器件做在P型衬底的N型外延层上，利用PN结的反偏特性实现隔离，因为PN结在反偏下具有很高的电阻。

自隔离技术本质上也是PN结隔离，是依靠器件中源漏区与衬底之间形成自然的PN结特性实现隔离。当MOS管导通时源区、漏区与沟道都被耗尽区包围，与衬底之间形成隔离。当其截止时漏区与衬底之间PN结反偏，源区高压被耗尽区隔离。

介质隔离是利用氧化硅等绝缘介质实现隔离，在介质隔离和结隔离基础上结合二者优点还发展出了准介质隔离，通过选择性的采用上述隔离技术，实现高压和低压的兼容。

BCD工艺的发展方向

BCD 工艺技术的发展不像标准CMOS 工艺那样，一直遵循Moore 定律向更小线宽、更快的速度方向发展。BCD 工艺大致朝着三个方向分化发展：高压、高功率、高密度。

高压BCD方向

高压 BCD，可以在同一芯片上同时制造高可靠性的低压控制电路和超高压DMOS 级电路，可实现500-700V的高压器件的制作，但总体上BCD还是适合那些对功率器件尤其是BJT或大电流DMOS器件要求比较高的产品，可用于电子照明和工业应用的功率控制。

目前制造高压BCD的技术是1979年由Appel等人提出的RESURF技术，利用轻掺杂的外延层制作器件，使表面电场分布更加平坦从而改善表面击穿的特性，使击穿发生在体内而不是表面，从而提高器件的击穿电压。轻掺杂是提高BCD击穿电压的另一个方法，主要是采用双扩散漏DDD（double Doping Drain）和轻掺杂漏LDD（lightly Doping Drain），在DMOS漏区通过添加N型漂移区使原来N+漏极与P型衬底之间的接触变为N-漏极与P型衬底之间的接触，从而提高击穿电压。

高功率BCD方向

高功率BCD的电压范围在40-90V，主要用于需求大电流驱动能力、中等电压和简单控制电路的汽车电子。它的需求特点是大电流驱动能力、中等电压，而控制电路往往比较简单。

高密度BCD方向

高密度BCD，电压范围为5-50V，个别汽车电子会到70V。可以在同一个芯片上集成越来越多的复杂和多样化的功能。高密度BCD采用了一些模块化的设计思路，从而实现产品多样化，主要用于汽车电子应用。

BCD工艺的主要应用

BCD工艺广泛运用于电源管理（电源和电池控制）、显示驱动、汽车电子、工业控制等。电源管理芯片（PMIC）属于模拟芯片的重要类型之一。BCD工艺与SOI技术结合也是BCD工艺发展的一大特点。

图源网络，谢谢

TowerSemi BCD

Tower Semiconductor 业界领先的双极CMOS-DMOS（BCO）技术采用低Rdson LDMOS、多种隔离方案结合高数字集成能力，在宽电压范围内提供高功率密度与效率，为电机驱动器、DC-DC转换器、电池管理芯片、PMIC、负载开关、稳压器、LED驱动器等消费类、通信类、计算类、汽车类和工业类应用带来显著优势。

Tower Semiconductor的电源管理平台旨在提供最大的灵活性，使客户能够制造出设计优化、集成度灵活的产品，确保一次完成芯片设计，从而实现快速上市。该技术覆盖了从低功率到高功率应用最高可达700V的电压范围，8英寸和12英寸晶圆上均可生产。Tower Semiconductor的多功能IP产品组合包括NVM、SRAM、ROM、数字库和ESD PCell，支持任何电源管理芯片的需求。

180nm | 5V-700V

0.18μm Bulk BCD：Tower Semiconductor提供领先的0.18μmBipolar-CMOS-DMOS （BCD）平台，拥有当今最丰富的成熟且模块化的电源管理代工技术，采用通用PDK，提供多种隔离方案和可扩展的LDMOS，可在Bulk CMOS晶圆上，在1.8V至140V的宽电压范围内，实现最低的Rdson值。该平台非常适合12V/48V电池操作以及各种DC-DC转换器和PMIC应用。对于更高阶的ECU，TS18PM平台使用密集的数字库和大量的存储器产品组合（包括OTP及MTP）来高集成度。

65nm | 24V

65nm BCD：Tower Semiconductor的65nm 5V和1.2V/5V BCD平台带来最低的Rdson并显著缩小裸片面积，非常适合汽车电源管理中多个次级PMIC应用。该平台支持高达16V的操作电压，由位于日本Uozu的工厂提供。Tower Semiconductor在至少两个不同地点的生产基地中，提供合格的200mm首要电源管理生产流程，以始终确保客户的长期供货与灵活产能。

Tower Semiconductor提供的电源技术服务于广泛的市场，从移动、计算机和其它消费类产品，到汽车、工业及低功耗可穿戴设备。Tower Semiconductor的解决方案能够高度整合最精密的电源控制并实现同类最佳的效率，满足终端产品对更高功率的持续需求。

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Tower Semiconductor

Tower Semiconductor 提供广泛的先进模拟制程工艺技术，以精确满足其客户的规格需求，实现最具成本效益和通用性的 IC制造解决方案。

公司的专业技术产品包括：用于射频（RF）与高性能模拟（HPA）应用的SiGe BiCMOS和RFCMOS（SOI及Bulk）、CMOS图像传感器（CIS）、电源管理（包括700V BCD）、CMOS、混合信号和MEMS功能。

Tower Semiconductor的模块化及可定制工艺在其位于以色列、美国和日本的7个拥有环境管理、健康与安全、信息安全和汽车标准质量认证的世界级制造工厂，提供150mm、200mm或300mm晶圆。

RF与HPA

电源管理

混合信号/CMOS

CMOS图像传感器

汽车电子

图源Tower Semiconductor公众号

Fab的厂区分布

Tower Semiconductor遍及世界的七家晶圆厂打造了高质量生产能力，并推动卓越运营。作为一家全球化企业，Tower Semiconductor在七家晶圆厂之间构建统一基准，同时借助员工队伍中强化的技能组合，将各小组的最佳品质与能力在整个组织内共享。通过此种方式，Tower Semiconductor不断提升其运营绩效、制造品质和企业成本结构，使公司能够更好地服务于客户，进而提升企业业绩。

以色列Migal Haemek

8英寸（200毫米）
CMOS、CIS、电源管理
功率、功率分立器件、RF模拟、MEMS
0.18μm至0.13μm
铝及铜金属
后端（BEOL）工艺、EPI、193nm scanner

意大利阿格雷特

65纳米
12 英寸（300 毫米）
模拟射频、电源、显示

美国加利福尼亚州

Newport Beach

6英寸（150毫米）
CMOS、CIS、SiGe BiCMOS、RFCMOS（SOI及Bulk）、MEMS
0.18μm至0.13μm
铝及铜金属后端（BEOL）工艺、SiGe、EPI

美国德克萨斯州

San Antonio

8英寸（200毫米）
电源管理，功率分立器件、RFCMOS（SOI及Bulk）
0.18μm
铝金属后端（BEOL）工艺

图源Tower Semiconductor公众号

TPSCo——Tower与松下半导体（PSCS）的合作

TPSCo成立于2014年，公司由Tower Semiconductor, Ltd.（纳斯达克股票代码：TSEM，TASE：TSEM）持股51%，新唐科技日本公司持股49%。TPSCo位于日本北陆的工厂已生产大规模集成电路 (IC)超过 35 年，至今已为汽车产品（0、1 和 2 级）生产了超7.5 亿颗芯片。

日本Tonami

8 英寸（200 毫米）
模拟、功率分立器件、NVM、CCD
0.35µm 至 0.15µm

日本Uozu

12英寸（300毫米）
CMOS 电源管理、CIS、RF CMOS/SOI
65nm和45nm

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关于摩尔精英

摩尔精英以“让中国没有难做的芯片”为使命，通过一站式芯片设计和供应链平台，结合自有封测工厂和设备的快速响应能力，给有多样化、定制化芯片需求的芯片和终端公司，提供长期、规模化、正规化、安全、高效的“从芯片研发到量产一站式交付”的解决方案，降低客户风险、加速产品上市、提高运营效率，助力客户解决中国芯片卡脖子问题。

公司成立于2015年，公司核心团队来自于IBM、SMIC、ASE等公司，具备丰富的供应链管理经验和能力。业务覆盖了800家芯片客户，在无锡、合肥、重庆多地布局2万平封装测试工厂，核心设备投资超过4亿元。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第3575期内容，欢迎关注。