BJT DMOS BiCMOS BCD半導(dǎo)體制程技術(shù)簡介

印寧華|Indining China|

2025-02-25 16:57:59 516

隨著半導(dǎo)體制程制程不斷突破，業(yè)界流傳著一個被稱為「摩爾定律」的*論點(diǎn)。它是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾在1965年提出的，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。這項(xiàng)定律不僅是對產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的一種分析預(yù)測，同時也成了半導(dǎo)體制程發(fā)展的動力——一切都是為了做出更小尺寸且性能穩(wěn)定的電晶體。從五十年代至今約70年的時間，總共發(fā)展了BJT、MOSFET 、CMOS、DMOS以及混合型的BiCMOS和BCD 等制程制程技術(shù)。

1. BJT

雙極性結(jié)型電晶體（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管。電晶體中的電荷流動主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴(kuò)散作用和漂移運(yùn)動，由于同時涉及電子和電洞兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性元件。

回溯它所誕生的歷史。由于存在著用固體放大器代替真空三極管這一想法，1945年夏，Shockley 提出開展半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的建議，1945年下半年，貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了以Shockley為組長的固體物理學(xué)研究小組。在這小組里，不僅有物理學(xué)家，也有電路工程師和化學(xué)家，包括作為理論物理學(xué)家的Bardeen和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家B rattain。 1947年12月，一件被后世認(rèn)為是里程碑式的事件璀璨地發(fā)生了－Bardeen和Brattain成功發(fā)明了*上*個具有電流放大作用的鍺點(diǎn)接觸晶體管。

Bardeen和Brattain的*個點(diǎn)接觸式電晶體

而在此后不久，Shockley于1948年發(fā)明了雙極接面電晶體。他提出了電晶體可以由兩個pn結(jié)構(gòu)成，一個正向偏壓、另一個反向偏置，并在1948年6月取得了專利。在1949年他把結(jié)型電晶體工作的詳細(xì)理論發(fā)表了出來。兩年多后貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師開發(fā)出流程來實(shí)現(xiàn)結(jié)型電晶體的量產(chǎn)（1951里程碑），開啟了電子技術(shù)的新紀(jì)元。而為了表彰在電晶體發(fā)明上的貢獻(xiàn)，蕭克利、巴丁和布拉頓共同獲得了1956 年諾貝爾物理學(xué)獎。

關(guān)于雙極接面電晶體的結(jié)構(gòu)，常見的BJT有NPN型和PNP型。

BJT 結(jié)構(gòu)示意圖及符號

詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。射極對應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)榘l(fā)射區(qū)，該區(qū)域摻雜濃度較高；基極對應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)榛鶇^(qū)，該區(qū)域?qū)挾群鼙?，摻雜濃度很低；集電極對應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)榧妳^(qū)，此區(qū)域面積大，摻雜濃度很低。

BJT 結(jié)構(gòu)剖面圖

BJT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是高反應(yīng)速度、高跨導(dǎo)(輸入電壓變化對應(yīng)輸出電流變化大)、低雜訊、高類比精度、強(qiáng)電流驅(qū)動能力；缺點(diǎn)是整合度低(縱向深度無法隨橫向尺寸縮小) 、功耗高。

2. MOS

金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor FET)，即通過給金屬層(M-金屬鋁)的柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)的源極施加電壓，產(chǎn)生電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)導(dǎo)電通道開關(guān)的場效電晶體。由于柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，因此MOSFET又稱為絕緣柵型場效應(yīng)管。 1962年由貝爾實(shí)驗(yàn)室正式宣布成功開發(fā)，成為半導(dǎo)體發(fā)展史上最重要的里程碑之一，為半導(dǎo)體記憶體的問世直接奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

MOSFET依導(dǎo)電通道類型可分為P通道和N通道。依柵極電壓振幅可分為：

耗盡型MOS-當(dāng)閘極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電通道；

增強(qiáng)型MOS-對于N(P)通道元件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導(dǎo)電通道，功率MOSFET主要是N通道增強(qiáng)型。

MOS 結(jié)構(gòu)示意圖及符號

MOS與三極管的主要區(qū)別包括但不限于以下幾點(diǎn)：

三極管多子和少子同時參與導(dǎo)電，屬于雙極型元件；而MOS僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載子導(dǎo)電，又稱為單極型電晶體。
三極管屬于電流控制型元件，功耗比較高；而MOSFET屬于電壓控制型元件，功耗較小。
三極管導(dǎo)通電阻大，MOS管導(dǎo)通電阻小，只有幾百毫歐姆。在現(xiàn)在的用電器件上，通常會用MOS管做開關(guān)來用，主要是因?yàn)橄鄬τ谌龢O體MOS的效率是比較高的。
成本上三極管就比較占優(yōu)勢，mos管相對價格較高。

現(xiàn)在大部分場景下都是用MOS管取代三極管了，只有在一些小功率或?qū)牟幻舾械膱鼍跋?，考慮到價格優(yōu)勢我們才會使用三極管。

3. CMOS

互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor）：CMOS技術(shù)采用了互補(bǔ)的p型和n型金屬氧化物半導(dǎo)體電晶體（MOSFET）來建構(gòu)電子元件和邏輯電路。

下圖所示為常見的CMOS反相器，用于「1→0」或「0→1」的轉(zhuǎn)換，典型電路圖如下。

CMOS電路圖

典型的CMOS剖面結(jié)構(gòu)圖如下，左邊是NMOS，右邊是PMOS，兩個MOS的G極連在一起為共連柵極輸入，D極連在一起為共連漏極輸出。 VDD接PMOS的源極，VSS接NMOS的源極。

CMOS 結(jié)構(gòu)剖面圖

1963年，仙童半導(dǎo)體公司的Wanlass和Sah發(fā)明了CMOS電路。 1968年，美國無線電公司（RCA）研發(fā)出*個CMOS積體電路產(chǎn)品，此后CMOS電路獲得了巨大的發(fā)展。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、高整合度(STI/LOCOS制程可進(jìn)一步提升整合度)；缺點(diǎn)是存在鎖定效應(yīng)(MOS管間采用PN結(jié)反偏作為隔離，受干擾易形成增強(qiáng)回路燒毀電路)。

CMOS工藝目前已經(jīng)發(fā)展到3nm的時代，目前基本上主要是數(shù)字電路在追求工藝節(jié)點(diǎn)。針對模擬電路為主或者數(shù)?；旌想娐肪佣嗟男酒?dāng)前芯片主要分布在180nm到28nm之間。主要工藝節(jié)點(diǎn)有 180nm，130nm，110nm，90nm，65nm，55nm，40nm和28nm等。如果電路中沒有超高速轉(zhuǎn)換器或者高速接口電路，基本CMOS工藝節(jié)點(diǎn)在90nm及以上比較多，65nm及以下節(jié)點(diǎn)則更加適用于高速轉(zhuǎn)換器，高速接口的電路中。CMOS電路被用在射頻應(yīng)用時候，一般很難突破6GHz頻率，超過6GHz之后，噪聲和線性會快速下降。

更高的工藝節(jié)點(diǎn)有利于數(shù)字電路速度提高并且有效降低尺寸，但是也會帶來漏電流會變大，投片費(fèi)用也較高。較低的工藝節(jié)點(diǎn)會限制運(yùn)行速度，尺寸上也會比較大，但是漏電流更小，投片費(fèi)用也更低。針對模擬電路，特別是數(shù)?；旌想娐范裕x擇合適的工業(yè)節(jié)點(diǎn)是至關(guān)重要的。

4. DMOS、VDMOS和LDMOS

DMOS 器件是指 Double-diffused Metal Oxide Semiconductor（雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）器件，也被稱為 VMOS（Vertical Metal Oxide Semiconductor）器件。DMOS 器件是一種用于功率放大和開關(guān)的半導(dǎo)體器件。

DMOS 器件的主要特點(diǎn)是具有低導(dǎo)通電阻、高電壓承受能力、高速開關(guān)能力和高溫性能等。由于這些特點(diǎn)，DMOS 器件廣泛應(yīng)用于功率放大、開關(guān)和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。

DMOS 件的結(jié)構(gòu)類似于 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），但是在 DMOS 件中，擴(kuò)散區(qū)域比 MOSFET 更深，從而可以承受更高的電壓。此外，DMOS 器件中的溝道是沿垂直方向延伸的，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度和更低的導(dǎo)通電阻。

下圖展示了標(biāo)準(zhǔn)N溝道的DMOS的剖面圖，這種類型的DMOS元件通常用于開關(guān)應(yīng)用，其中MOSFET的源極連接到接地。此外還有P溝道的DMOS，這種類型的DMOS元件通常用于高側(cè)開關(guān)應(yīng)用，其中MOSFET的源極連接到正電壓。類似CMOS，互補(bǔ)DMOS元件在同一晶片上使用N通道和P通道MOSFET來提供互補(bǔ)的開關(guān)功能。

根據(jù)通道的方向，DMOS可以分為兩種類型，即垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管VDMOS（Vertical Double-Diffused MOSFET）和橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET ）。

VDMOS元件設(shè)計(jì)有垂直通道，與橫向DMOS元件相比它具有更高的擊穿電壓和電流處理能力，但是導(dǎo)通電阻仍然比較大。

LDMOS元件設(shè)計(jì)有橫向通道，是非對稱功率MOSFET元件。與垂直DMOS元件相比，它允許更低的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度。

DMOS 器件主要作用是在高功率電路中提供電流控制和開關(guān)控制功能。由于 DMOS 器件具有低導(dǎo)通電阻、高電壓承受能力、高速開關(guān)能力和高溫性能等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種功率電子應(yīng)用中，如電源管理、電機(jī)驅(qū)動、照明控制、汽車電子、工業(yè)控制等。

在電源管理中，DMOS 通常用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電源逆變器、電源管理單元等電路中，以實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性。
在電機(jī)驅(qū)動中，DMOS 通常用于馬達(dá)控制器、電機(jī)驅(qū)動器等電路中，以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性的馬達(dá)控制。
在照明控制中，DMOS 還可以用于 LED 驅(qū)動器、照明調(diào)光器等電路中，以實(shí)現(xiàn)高效率、高亮度和高可靠性的照明控制。
在汽車電子和工業(yè)控制中，DMOS 通常用于電池管理、電力控制、電源變換、電機(jī)驅(qū)動、照明控制等電路中，以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、高安全性和高可靠性的控制功能。

不難發(fā)現(xiàn)，DMOS 器件的作用是在高功率電路中實(shí)現(xiàn)電流控制和開關(guān)控制功能，以提高電路的效率、穩(wěn)定性和可靠性。

5. BiCMOS

BiMOS就是CMOS和BiPOLAR的混合，就是在CMOS的基礎(chǔ)上生長BiPOLAR，由于BiPOLAR可以做到非常低的漏電電流和噪聲，針對數(shù)模混合電路，特別是低噪聲或者低偏移的數(shù)?；旌想娐肥褂肂iCMOS即可以發(fā)揮CMOS的功耗的優(yōu)勢，又可以兼顧模擬高性能特性。

把雙極型晶體管（BJT）和CMOS器件同時集成在同一塊芯片上的新型的工藝技術(shù)，它集中了上述單、雙極型器件的優(yōu)點(diǎn)，兩者“交叉”結(jié)合，取長補(bǔ)短，調(diào)和折衷，為發(fā)展我國高速、高性能的各種通信、信息處理和網(wǎng)絡(luò)電路、通信用模擬/數(shù)字混合微電子電路和數(shù)字通信用超大規(guī)模集成電路（數(shù)字通信VLSI）開辟了一條嶄新的道路。

CMOS工藝和BiPolar工藝是兩種主要的硅集成電路工藝，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)。CMOS器件有集成度高、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。BiPolar器件有截止頻率高、驅(qū)動能力大、速度快、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。它們的優(yōu)缺點(diǎn)正好互相補(bǔ)充，將它們集成同一芯片上形成BiCMOS工藝，制得的器件性能定將超出單一工藝。

形成BiCMOS工藝的方案現(xiàn)有很多，大致可歸納為兩大類：一類是以CMOS工藝為基礎(chǔ)，另一類是以Bipolar工藝為基礎(chǔ)。采用原有的2um N阱CMOS工藝基礎(chǔ)上選用雙埋層、雙阱、外延結(jié)構(gòu)來形成BiCMOS工藝。

BiCMOS，BiCMOS=Bipolar+CMOS，一般有兩種類型的BiCMOS，一種是以Bipolar工藝為基礎(chǔ)，將CMOS加入到Bipolar工藝中，這種BICMOS工藝的器件特性以Bipolar器件為主，CMOS器件為輔，CMOS器件特性并不是最佳，Bipolar器件特性可以達(dá)到很好的程度；另一種以CMOS器件為主，Bipolar器件為輔，CMOS器件特性可以達(dá)到比較好的程度，Bipolar特性一般，簡單的甚至直接只是加一個Base區(qū)域，Bipolar器件只是起到最基本的作用，比如做badgap用，提供一個參考電壓。兩種BICMOS工藝不論側(cè)重點(diǎn)如何，只要滿足設(shè)計(jì)的需求即可，在這個客戶導(dǎo)向的時代，只要你能給代工廠足夠的訂單，代工廠就能拿出足夠誠意來滿足客戶的各種需求。

下圖是一個BiCMOS的反相器原理圖，輸出端口使用了BJT的對管，主要邏輯部分都是MOS管。

BiCMOS 反相器原理圖

BiCMOS 結(jié)構(gòu)剖面圖

BiCMOS可在單顆芯片上融合兩種不同工藝技術(shù)的優(yōu)勢：雙極晶體管可達(dá)到較高的速度和增益，滿足高頻模擬部分的要求，而CMOS技術(shù)則非常適合構(gòu)成簡單的低功耗門邏輯電路。意法半導(dǎo)體的BiCMOS SiGe（硅鍺）技術(shù)將射頻、模擬和數(shù)字部分集成在單顆芯片上，能夠大幅減少外部元器件的數(shù)量，同時優(yōu)化功耗。

6. BCD

Bipolar-CMOS-DMOS, 這種技術(shù)能夠在同一晶片上制作雙極管Bipolar，CMOS和DMOS元件，稱為BCD工藝，1986年由意法半導(dǎo)體（ST）率先開發(fā)成功。

Bipolar適用于精密的模擬電路，CMOS適用于大規(guī)模數(shù)字邏輯電路，DMOS適用于功率和高壓元件。 BCD則結(jié)合了三者的優(yōu)點(diǎn)。

BCD工藝廣泛使用在的電源，電池檢測，LED驅(qū)動等高壓電路中。目前BCD工藝主要工藝節(jié)點(diǎn)有0.25um，0.18um，130nm，90nm和55nm。耐壓等級根據(jù)應(yīng)用不同，最低為5V, 其次是12V, 40V, 60V, 80V, 120V，最高達(dá)到6KV等。BCD除了不斷提高工藝的制程和耐壓等級之外，通過結(jié)構(gòu)改善如DTI (Deep Trend Insolate) 降低尺寸，也通過SOI工藝提高隔離等級降低尺寸。

ST公司是BCD工藝的發(fā)明者，從ST官網(wǎng)數(shù)據(jù)可以看出，ST的BCD工藝已經(jīng)發(fā)展到90nm（100V），最高耐壓到6KV，發(fā)展到第9代，工藝涉及到SOI和DTI等。其他廠商如TI的BCD工藝已經(jīng)支撐110nm（85v）耐壓，采用DTI實(shí)現(xiàn)。NXP主要基于SOI的BCD工藝上開發(fā)汽車電源類和音頻功放等產(chǎn)品。晶圓代工廠中，TSMC，TOWER, Global Foundries, SMIC和華虹都有開發(fā)BCD工藝。

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