1 引言

　　BCD是一種單片集成工藝技術。1986年由意法半導體(ST)公司率先研制成功，這種技術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、強負載驅動能力和CMOS集成度高、低功耗的優點，使其互相取長補短，發揮各自的優點。更為重要的是，它集成了DMOS功率器件，DMOS可以在開關模式下工作，功耗極低。不需要昂貴的封裝和冷卻系統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，提高系統性能，節省電路的封裝費用，并具有更好的可靠性。

　　2 BCD工藝關鍵技術簡介 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CMOS工藝)不應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、結型場效應管JFET等器件。由于集成了如此豐富的器件，這就給電路設計者帶來極大的靈活性，可以根據應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;為控制制造成本，必須考慮光刻版的兼容性。考慮到器件各區的特殊要求，為減少工藝制造用的光刻版，應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器件的結構、工作原理與特點[2-5]

　　功率輸出級DMOS管是此類電路的核心，往往占據整個芯片面積的1/2～2/3，它是整個集成電路的關鍵。DMOS與CMOS器件結構類似，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體場效應管VDMOSFET( vertical double-diffused MOSFET)和橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管LDMOSFET (lateral double-diffused MOSFET)。

　　LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。LDMOS器件結構如圖1所示，LDMOS是一種雙擴散結構的功率器件。這項技術是在相同的源/漏區域注入兩次，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，在有源區和漏區之間有一個漂移區。LDMOS中的漂移區是該類器件設計的關鍵，漂移區的雜質濃度比較低，因此，當LDMOS 接高壓時，漂移區由于是高阻，能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴展到漂移區的場氧上面，充當場極板，會弱化漂移區的表面電場，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[6]。要使場極板能充分發揮作用，一要設計好SiO2層的厚度，二要設計好場極板的長度。

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　　DMOS器件是由成百上千的單一結構的DMOS 單元所組成的。這些單元的數目是根據一個芯片所需要的驅動能力所決定的，DMOS的性能直接決定了芯片的驅動能力和芯片面積。對于一個由多個基本單元結構組成的LDMOS器件，其中一個最主要的考察參數是導通電阻，用R ds(on)表示。導通電阻是指在器件工作時，從漏到源的電阻。對于 LDMOS器件應盡可能減小導通電阻，就是BCD工藝流程所追求的目標。當導通電阻很小時，器件就會提供一個很好的開關特性，因為漏源之間小的導通電阻，會有較大的輸出電流，從而可以具有更強的驅動能力。DMOS的主要技術指標有：導通電阻、閾值電壓、擊穿電壓等。

　　對LDMOS而言，外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區的長度是其最重要的特性參數。我們可以通過增加漂移區的長度以提高擊穿電壓，但是這會增加芯片面積和導通電阻。高壓DMOS器件耐壓和導通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區長度的折中選擇。因為耐壓和導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，而低的導通電阻則要求薄的重摻雜外延層和短的漂移區，因此必須選擇最佳外延參數和漂移區長度，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工藝發展趨勢?

??????? 3.1 BCD工藝發展方向[7-8]

　　BCD工藝技術的發展不像標準CMOS工藝那樣，一直遵循Moore定律向更小線寬、更快的速度方向發展。BCD工藝朝著三個方向分化發展：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，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，使擊穿發生在體內而非表面,從而提高器件的擊穿電壓。高壓BCD主要的應用領域是電子照明( electronic lamp ballasts)和工業應用的功率控制。

　　⑵高功率BCD

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

　　側重于提高產品的魯棒性(robustness)，以保證在惡劣的環境下應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，一些汽車電子應用會到70V。在此應用領域，BCD技術將集成越來越復雜的功能，今天，有的產品甚至集成了非揮發性存儲器。許多電路集成密度如此之高，以致于需要采用數字設計的方法(如集成微控制器)來實現最佳驅動以提高性能。這代表了持續增長的市場需求，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用前景，代表了BCD工藝的主流方向，也是最大的應用領域。

　　最新的BCD工藝趨向于采用先進的CMOS工藝平臺，根據不同的應用場合呈現模塊化和多樣性的特點。高密度BCD工藝發展的一個顯著趨勢是模塊化的工藝開發策略被普遍采用。所謂模塊化，是指將一些可選用的器件做成標準模塊，根據應用需要選用或省略該模塊。模塊化代表了BCD工藝發展的一個顯著特征，采用模塊化的開發方法，可以開發出多種不同類型的IC，在性能、功能和成本上達到最佳折中，從而方便地實現產品的多樣化，快速滿足持續增長的市場需求。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工藝新興技術發展趨勢[7,11]

　　未來電子系統的主要市場是多媒體應用、便攜性及互連性。這些系統中會包含越來越復雜的高速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。為實現低功耗和高效率功率模塊，需要混合技術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技術正在形成。

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

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

　　BCD工藝的主要應用領域為電源管理(電源和電池控制)、顯示驅動、汽車電子、工業控制等領域。近年來，在顯示驅動和電源管理兩大市場驅動下，BCD工藝備受關注，越來越多的公司進入該領域，進行相關工藝和產品的開發。

　　4.1 電源管理市場穩定增長[12-13]

　　電源管理IC屬于模擬IC，市場成長性穩定。模擬技術的建立需要長時間累積，再加上模擬IC無法像數字IC一樣有大量的電子設計自動化(EDA)工具和IP可重復使用，所以模擬IC的設計相當需要經驗的累積，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。

　　隨著終端產品朝著輕薄短小、數字化和整合多功能三大趨勢發展，電源管理IC的地位越來越重要。近年來，在高度數字化趨勢下，數字IC 技術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需要不同的供應電壓，因而促成更多電源管理IC需求的興起。便攜式產品一直都是電源管理IC主要的應用領域之一，近幾年，該類產品如手機、數碼相機、筆記本電腦、MP3等發展非常迅速。在產量提高的同時，便攜式產品的性能也不斷得到改進，功能不斷增加。便攜式電子產品的升級，必然使其對電源管理IC提出更高的要求。電源管理類產品即使在半導體市場不景氣的情況下，仍然保持了穩定的增長。

　　然而，模擬IC設計相當需要經驗的累積，技術門檻高。“后進”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TI ，Linear，Fairchild和Intersil等老牌半導體公司都已在模擬領域耕耘多年，因此模擬IC設計廠商仍面臨不小

　　的挑戰。盡管有技術和人才方面的挑戰，但整體而言，國內半導體廠商在電源管理IC市場應有不錯的發展機會。國內模擬IC設計公司因為靠近信息、通信和消費性電子制造和代工系統廠商，通過完善的技術支持和廠商在產品設計和系統端頻繁互動等方式，在成本、功能和穩定性已達到水準的情況下，有取代進口IC的趨勢，未來市場發展潛力相當看好。再者，國內專業晶圓代工廠對模擬制程技術和資源投入逐漸增加，對國內模擬IC 設計業者無疑是一大幫助，現階段國內電源管理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 顯示驅動市場需求強勁[14]

　　顯示驅動器是向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，預計未來五年 LCD電視機的出貨量將迅速增長。

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

　　4.3 BCD工藝是制造電源管理、顯示驅動等IC的上佳選擇

　　顯示驅動和電源管理IC一般使用BiCMOS或 BCD工藝，由于工藝比標準CMOS工藝復雜，并且千差萬別，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 工藝技術，是許多設計公司在市場競爭中成敗的關鍵因素之一。BCD工藝技術對代工企業(Foundry)同樣意義重大，掌握BCD工藝技術可以使代工企業獲得大筆的訂單。國內外的許多公司都加大投入力度，爭相開發富有競爭力的BCD工藝。

　　5 小結

　　總之，BCD工藝是一種先進的單片集成工藝技術，是電源管理、顯示驅動、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展。其中BCD技術與SOI技術相結合，是一個非常重要的技術趨勢。