2019年1月22日
特约作者:Sinjin Dixon-Warren博士
TechInsights对本文中引用的STMicroelectronics BCD9的完整分析包含在我们的新电力半导体订阅中，该订阅涉及电力半导体市场的新技术，包括GaN、SiC、plus 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。
图1–意法半导体L6262S BCD工艺模具照片
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。
图2 - STMicroelectronics L6262S N-DMOS晶体管
意法半导体目前主要提供三种BCD技术，分别为BCD6、BCD8和BCD9，分别对应0.32µm、0.16µm和0.11µm技术，如图3所示。他们声称有90纳米BCD10技术正在开发[4]。他们定期在国际功率半导体器件研讨会(ISPSD)上发表关于这些技术的论文。TechInsights有关于这些意法半导体BCD技术的各种具体版本的报告[1,2,5,6,7,8,9]
图3–意法半导体BCD技术（来源：意法半导体）
最近，TechInsights采购了意法半导体FDA801B-VYY 4x50 W d类数字输入功率放大器样品，具有I2C诊断、数字阻抗计和低电压操作[10]，[10]是用新的BCD9s技术[11]制作的。图4所示为FDA801B-VYY BCD9s模的一张照片，该模经脱去处理后扩散。该模具具有模拟、逻辑和LDMOS功率晶体管模块。我们完成了一些初步的分析，并将我们的发现与我们之前对意法半导体BCD技术的分析进行了比较。
图4 - STMicroelectronics FDA801B-VYY BCD9s工艺扩散模
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技术大约在2006年发布，其特点是0.35 μ m CMOS门，通过化学机械抛光(CMP)实现三层铝金属平面化。图5是意法半导体ST1S03 BCD6芯片的照片。在模具上发现了一个大的DMOS开关晶体管。发现了LDMOS晶体管和NPN双极晶体管，并采用了局部氧化硅(LOCOS)隔离。图6显示了在ST1S03 BCD6芯片上发现的典型LDMOS晶体管的横截面。LDMOS晶体管的关键特性是在晶体管栅极和漏极触点之间存在隔离和漂移区。门延伸到隔离区。这些特性允许LDMOS晶体管在源(在地)和漏极之间支持更高的电压偏置。通常，掺杂的漂移区延伸到栅极下面，导致晶体管通道比物理栅极长度短。与标准CMOS技术相比，LDMOS晶体管的设计和制造具有挑战性，因为需要大量额外的掩模和植入物。
图5–意法半导体ST1S03 BCD6工艺模具照片
图6–意法半导体ST1S03 N-LDMOS晶体管
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。
图7 - STMicroelectronics ST7570 BCD8 Die
图8 - STMicroelectronics ST7570 P-LDMOS晶体管
0.13 μ m BCD9工艺于2015年上市。该技术的特点是铜金属化，并集成了目前广泛的BCD功能阵列，包括N型和p型LDMOS晶体管，MIM电容器，6T-SRAM和双极晶体管。图9显示了意法半导体FSB2D48 BCD9芯片的照片，而图10显示了在FSB2D48 BCD9芯片上发现的N-LDMOS晶体管布局的示例。
图9 - STMicroelectronics FSB2D48 BCD9模具照片
图10 - STMicroelectronics FSB2D48 N-LDMOS布局
2015年，ST宣布BCD9s技术[11]为其BCD9 0.13µm工艺技术的第二代。我们的初步分析发现了几个关键的新特性，包括增加了一个厚的顶部再分布层（RDL）。观察到的逻辑晶体管的最小接触栅间距为0.6µm，表明采用了0.13µm工艺，而不是ST声称的BCD9的0.11µm。该技术现在集成了三种类型的隔离。深沟隔离（DTI）用于在各种电路块之间提供隔离，CMOS逻辑使用STI，LDMOS功率晶体管块使用LOCOS隔离。这是TechInsights首次在单个模具上使用所有三种类型的隔离。图11显示了STMicroelectronics FDA801B-VYY BCD9s工艺模具边缘的横截面图，其中显示了DTI和RDL功能。TechInsights计划对BCD9s技术进行进一步分析，该分析将在即将发布的报告中提供。
图11 - STMicroelectronics FDA801B-VYY BCD9s工艺模边
BCD技术仍然是电力电子市场领域的一个积极创新领域。与高级CMOS不同，BCD技术的挑战在于将最大数量的MOS晶体管集成到一个给定的区域中，从而无情地驱动更小的特征尺寸，BCD技术的驱动因素是需要将各种不同的有源器件集成到单个管芯上。这需要仔细平衡每种设备类型的不同工程需求。
表1 - stmicroelectronics BCD技术流程总结
| CUD16A BCD 0500 - 4376 fs43 |
L6262S BCD sar - 0408 - 008 |
ST1S03 BCD6 PPR-0601-801 |
ST7570 BCD8 PPR-1101-801 |
L6390DTR BCD离线 PPR-1301-803 |
FSB2D48 BCD9 ppr - 1501 - 801 |
FDA801B-VYY BCD9S PPR-1803-801 |
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 一年 | 2000 | 2004 | 2006 | 2011 | 2013 | 2015 | 2018 |
| 遮罩日期 | 1999 | 1998 | 2004 | 2009 | 1998 | 2012 | 2014 |
| 一代 | 1µm | 1µm | 0.35µm | 0.18µm | 3µm | 0.13µm | 0.11µm（索赔） |
| 数量的金属 | 3. | 3. | 3. | 4 | 1 | 5 | 3. |
| 多边形数 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 |
| 硅化物 | WSi | - | TiSi | 阿大 | - | 阿大 | 阿大 |
| RDL | 没有 | 没有 | 没有 | 没有 | 没有 | 没有 | 对 |
| 金属型 | 艾尔 | 艾尔 | 艾尔 | 艾尔 | 艾尔 | 4铜，1铝 | 铜 |
| 联系人 | W | 艾尔 | W | W | 艾尔 | W | W |
| 通过 | W | 艾尔 | W | W | - | 铜 | 铜 |
| 化学机械抛光 | 没有 | 没有 | 对 | 对 | 没有 | 对 | 对 |
| 隔离 | 机车 | 机车 | 机车 | STI | 机车 | STI | 机车 STI 贸易工业部 |
| 功率晶体管 | DMOS结构 | DMOS结构 | 带LOCOS的LDMOS | 带STI的LDMOS | 带LOCOS的LDMOS | 带STI的LDMOS | 带LOCOS的LDMOS |
| 双极晶体管 | NPN | NPN和PNP | NPN | NPN | NPN | NPN和PNP | NPN |
| 被动者 | 电阻 | 电阻器、多晶电容器和二极管 | 电阻器、多晶电容器和二极管 | 电阻和多聚电容器 | 电阻和多聚电容器 | MIM电容和电阻 | 电容器和电阻器 |
| SRAM | 没有 | 没有 | 没有 | ST-SRAM | 没有 | 6T-SRAM | 对 |
TechInsights对本文引用的意法半导体BCD9的完整分析包含在我们新的Power Semiconductor订阅中。
本订阅的目的是提供我们对电力半导体市场新技术的分析，包括GaN、SiC、plus Si MOSFET和IGBT器件。它还包括我们的BCD技术报告库。
了解更多关于TechInsights Power Semiconductor订阅的信息。
- 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。
- 意法半导体L6262S BCD-MOS IC工艺综述，PPR-0408-008, TechInsights, 2004年8月31日。
- http://cmp.imag.fr/IMG/pdf/bcd8s-soi_technology_overview-2.pdf
- http://www.st.com/content/st_com/en/about/innovation---technology/BCD.html
- 意法半导体ST1S03 BCD6 LDMOS工艺回顾，PPR-0601-801，TechInsights，2006年1月16日。
- STMicroelectronics ST7570 180nm BCD8 -过程分析报告，TechInsights, TechInsights, PPR-1101-801, 2011年7月1日。
- STMicroelectronics ST7570 N-LDMOS and P-LDMOS BCD Electrical Characterization Report, TechInsights, cwrl -1103-906, 2011年3月3日。
- 意法半导体L6390DTR高压高压/低压侧驱动器BCD离线工艺审查，TechInsights，PPR-1301-803，2013年8月1日。
- 意法半导体FSB2D48 BCD9工艺审查报告，TechInsights，PPR-1501-801，2015年1月1日
- http://www.st.com/en/automotive-infotainment-and-telematics/fda801b.html
- http://www.st.com/content/st_com/en/about/media-center/press-item.html/p3767.html
