BCD芯片工藝是一種集合了Bipolar、CMOS和DMOS的單片IC制造工藝。把這三種器件集成后,依然能具有各自分立時所具有的良好性能,而且取長補短,發(fā)揮更優(yōu)的性能。具有高效率(低能耗)、高強度(無二次擊穿)、高耐壓和高速開關(guān)的特性。
BCD芯片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)應用的需要來選擇最合適的器件,從而提高整個電路的性能。
把襯底和NMOS的BULK端/地端隔離開一般用DNW和NBL兩種方式。分別如下圖所示:
DMOS(Double diffusion Metal-Oxide-Semiconductor)雙擴散金屬氧化物半導體。它和CMOS器件結(jié)構(gòu)類似,也有Source、Drain、Gate,但是Drain端的擊穿電壓高。它主要有兩種類型:有橫向LDMOS和垂直VDMOS。由于LDMOS更易于CMOS工藝兼容而被廣泛采用。
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)。
nLDMOS剖面圖如下:
DMOS器件是功率輸出級電路的核心,它往往占據(jù)整個芯片面積的一半以上,它是整個BCD工藝集成電路的關(guān)鍵。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DMOS器件,其中一個最重要的參數(shù)是DMOS器件的導通電阻Rdson。Rdson是指在DMOS器件導通工作時,從漏到源的等效電阻。對于DMOS器件應盡可能減小導通電阻,這是BCD工藝制造技術(shù)所追求的目標。當DMOS器件的導通電阻很小時,它就會提供一個很好的開關(guān)特性,因為對于特定的電壓,小的導通電阻意味著有較大的輸出電流,從而可以具有更好的驅(qū)動能力。DMOS的主要技術(shù)指標有:導通電阻、閾值電壓和擊穿電壓等。
對于功率mos,我們需要考慮以下幾點:
1)電流密度,從metal到最下面的diffusion
2)Rdson和metal的寄生電阻
3)Gate上的RC是否會影響mos管開關(guān)的均勻性
4)面積利用率,density
5)Latch-up的防護,因為mos管的size很大,所以襯底的接觸需要滿足latch-up規(guī)則的要求,同時需要考慮它和周圍電路的間距
6)噪聲的隔離,開關(guān)時會有很大的噪聲注入到襯底,同時它也是很大的熱源
7)ESD的防護,它直接面對pad