意法半导体BCD技术的发展

2019年1月22日
特约作者:Sinjin Dixon-Warren博士

TechInsights对本篇文章中引用的STMicroelectronics BCD9S的全部分析包括在我们的新功率半导体订阅中，它在电力半导体市场中解决了新技术，包括GaN，SiC，Si MOSFET和IGBT器件。

TechInsights已经监测了意法半导体双极- cmos - dmos (BCD)技术的发展超过15年，从2000年开始，我们对一个0.8µm BCD器件进行了结构和电特性表征，1999年的掩模日期为[1]。几年后，在2004年，我们分析了意法半导体L6262S (VCM/Motor Controller) BCD集成电路，该电路掩模日期为1998年，门长为0.9µm[2]。如图1所示，L6262S的特点是沿着模具边缘的DMOS晶体管块。

BCD技术将CMOS逻辑、双扩散MOS晶体管(DMOS)、横向扩散MOS晶体管(LDMOS)和双极晶体管集成到一个硅模中。DMOS和LDMOS晶体管通常用于创建高电压或更高功率输出驱动晶体管，而双极晶体管提供模拟功能。意法半导体是BCD技术的市场领导者，他们声称BCD技术是在20世纪80年代中期发明的[3]。该技术也由其他供应商提供，包括德州仪器，英飞凌，Atmel, Maxim和主要的代工厂，如台积电。techhinsights对许多这些竞争技术进行了报道。图2显示了意法半导体L6262S芯片上DMOS晶体管的横截面。

STMicroelectronics现在提供三种主要的BCD技术，表示BCD6，BCD8和BCD9，对应0.32μm，0.16μm和0.11μm技术，如图3所示。他们声称在开发中拥有90 nm BCD10技术[4]。他们定期公布关于这些技术的论文在国际权力半导体器件（ISPSD）会议上的国际研讨会上。TechInsights有关于这些STMicroelectronics BCD技术的各种特定版本[1,2,5,6,7,8,9]

最近，TechInsights采购STMicroelectronics FDA801B-Vyy 4x50 W类D数字输入功率放大器的样品，具有I2C诊断，数字阻抗计和低电压操作[10]，其与新的BCD9S技术进行制造[11]。FDA801B-Vyy BCD9S模具的照片伪造于扩散，如图4所示。模拟，逻辑和LDMOS功率晶体管的模具功能块。我们完成了一些初步分析，并与我们对STMicroelectronics BCD技术的分析进行了比较了我们的调查结果。

表1总结了TechInsights对一系列不同意法半导体BCD技术的过程分析结果。与半导体行业的其他领域相平行的是，在2000年左右，BCD技术的生产从大约1µm开始，朝着更小的特征尺寸发展。这些早期技术以DMOS晶体管为特色。

BCD6技术在2006年的大约2006年发布，并通过化学机械抛光（CMP）具有三层铝金属的0.35μmCMOS栅极。图5示出了STMicroelectronics ST1S03 BCD6模具的照片。在模具上找到一个大的DMOS开关晶体管。发现了LDMOS晶体管和NPN双极晶体管，并使用硅（LocOS）隔离的局部氧化。图6示出了在ST1S03 BCD6模具上发现的典型LDMOS晶体管的横截面。LDMOS晶体管的关键特性是存在隔离和晶体管栅极和漏极接触之间的漂移区域。栅极延伸在隔离上。这些特征允许LDMOS晶体管支持源之间的较高电压偏压，该源极在接地和漏极之间。通常，掺杂漂移区域在栅极下方延伸，导致晶体管通道短于物理栅极长度。与标准CMOS技术相比，LDMOS晶体管是挑战设计和制造的若干额外的掩模和植入物。

BCD8技术最早发布于2011年左右。它的特点是0.18 μ m CMOS门和四层CMP平面化铝金属，加上两层含有钴硅化物的多晶硅和浅沟槽隔离(STI)。N型和p型LDMOS晶体管，外加双极晶体管、多聚电容器和6T-SRAM存储器。图7为STMicroelectronics ST7570 BCD8芯片的照片。右上角是互补的LDMOS晶体管。图8的横截面显示了在ST7570 BCD8芯片上发现的LDMOS晶体管的例子。如图3所示，高压绝缘体上硅(SOI)版本的BCD8技术现在也可用，但TechInsights还没有看到。

0.13μmBCD9过程于2015年向市场发布。该技术具有铜金属化，集成了现在广泛的BCD功能，包括N和P型LDMOS晶体管，MIM电容器，6T-SRAM和双极晶体管。STMicroelectronics FSB2D48 BCD9模具的照片如图9所示，而图10示出了在FSB2D48BCD9模具上发现的N-LDMOS晶体管布局的示例。

2015年，ST宣布BCD9S技术[11]作为其BCD90.13μm工艺技术的第二代。我们的初步分析发现了几个关键的新功能，包括添加厚的顶部再分配层（RDL）。逻辑晶体管的观察到的最小接触栅极间距为0.6μm，提示0.13μm，而不是由ST为BCD9s所要求的0.11μm。该技术现在集成了三种类型的隔离。深度沟槽隔离（DTI）用于提供各种电路块之间的隔离，CMOS逻辑使用STI和LDMOS功率晶体管块使用Locos隔离。这是TechInsights第一次看到单一模具中使用的所有三种分离。图11显示了STMicroelectronics FDA801B-VYY BCD9S工艺模具边缘的横截面视图，显示了DTI和RDL特征。TechInsights正在计划进一步分析BCD9S技术，该技术将在即将到来的报告中提供。

BCD技术仍然是电力电子市场空间中积极创新的领域。与先进的CMO不同，在挑战周围围绕最大MOS晶体管的集成到给定区域，因此，BCD技术的无情驱动器通过将各种不同的有源器件集成到a上的需要将各种不同的有源器件集成到A上单芯。这需要仔细平衡各个设备类型的不同工程需求。

表1 - STMicroelectRonic BCD技术过程摘要

1. 一种意法半导体微控制器的BCD晶体管(双极、CMOS、DMOS)结构分析，报告编号:0500-4376-FS43, TechInsights, 2000年5月26日。
2. 意法半导体L6262S BCD-MOS IC工艺综述，PPR-0408-008, TechInsights, 2004年8月31日。
3. http://cmp.imag.fr/img/pdf/bcd8s-soi_technology_overview-2.pdf.
4. http://www.st.com/content/st_com/en/about/innovation---technology/BCD.html
5. STMicroelectronics ST1S03 BCD6 LDMOS过程评论，PPR-0601-801，TechInsights，2006年1月16日。
6. STMicroelectronics ST7570 180 NM BCD8 - 流程分析报告，技术，TechInsights，PPR-1101-801，2011年7月1日。
7. STMicroelectronics ST7570 N-LDMOS and P-LDMOS BCD Electrical Characterization Report, TechInsights, cwrl -1103-906, 2011年3月3日。
8. STMicroelectronics L6390DTR高压高/低侧驱动器BCD离线过程评论，TechInsights，PPR-1301-803，2013年8月1日。
9. STMicroelectronics FSB2D48 BCD9过程审查报告，TechInsights，PPR-1501-801，2015年1月1日
10. http://www.st.com/en/automotive-infotainment-and-telematics/fda801b.html
11. http://www.st.com/content/st_com/en/about/media-center/press-item.html/p3767.html.