发布时间:2019年1月22日
特约作者:Sinjin Dixon-Warren，博士
TechInsights对本文中所引用的意法半导体BCD9S的完整分析包含在我们新的电力半导体订阅中，该订阅涉及电力半导体市场的新技术，包括GaN, SiC，加Si MOSFET和IGBT器件。
TechInsights一直在监测意法半导体双极cmos - dmos (BCD)技术的发展超过15年，从2000年开始，我们对一个0.8 μ m BCD器件进行了结构和电气表征，1999年的蒙版日期为[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，其掩模日期为1998年，栅极长度为0.9 m[2]。L6262S，如图1所示，沿模具边缘有块DMOS晶体管。
图1 - STMicroelectronics L6262S BCD工艺模具照片
BCD技术将CMOS逻辑、双扩散MOS晶体管(DMOS)、侧向扩散MOS晶体管(LDMOS)和双极晶体管集成到一个单硅模中。DMOS和LDMOS晶体管通常用于创建高电压或更高功率的输出驱动晶体管，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，他们声称该技术是在20世纪80年代中期发明的。该技术也由其他供应商提供，包括德州仪器，英飞凌，阿特梅尔，马克西姆和主要代工厂，如台积电。TechInsights有许多关于这些竞争技术的报道。图2显示了意法半导体L6262S模具上DMOS晶体管的横截面。
图2 - STMicroelectronics L6262S N-DMOS晶体管
STMicroelectronics目前主要提供三种BCD技术，分别为BCD6、BCD8和BCD9，分别对应0.32 μ m、0.16 μ m和0.11 μ m技术，如图3所示。他们声称有一个90纳米的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)上发表有关这些技术的论文。TechInsights有关于这些意法半导体BCD技术的各种特定版本的报告[1,2,5,6,7,8,9]
图3 - STMicroelectronics BCD Technologies(来源:STMicroelectronics)
最近，TechInsights采购了STMicroelectronics FDA801B-VYY 4x50 W类d数字输入功率放大器的样品，具有I2C诊断，数字阻抗计和低压操作[10]，它是用新的BCD9s技术[11]制造的。图4显示了FDA801B-VYY BCD9s模具的照片，该模具被降解为扩散。该模具的特点是模块模拟，逻辑和LDMOS功率晶体管。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工艺扩散模照片
表1总结了TechInsights对意法半导体不同BCD技术系列的工艺分析结果。与半导体行业的其他行业相平行，BCD技术的特征尺寸一直朝着更小的方向发展，大约在2000年左右开始生产，BCD技术的特征尺寸约为1 μ m。这些早期技术以DMOS晶体管为特色。
BCD6技术发布于大约2006年，具有0.35 μ m CMOS栅极，三层铝金属经化学机械抛光(CMP)平面化。图5是STMicroelectronics ST1S03 BCD6模具的照片。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，并采用硅局部氧化(LOCOS)隔离。图6显示了在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在晶体管栅极和漏极接点之间存在隔离和漂移区。大门延伸到隔离区。这些特性允许LDMOS晶体管支持更高的电压偏差之间的源，在地，漏。通常，掺杂漂移区延伸到栅极下方，导致晶体管通道比物理栅极长度短。与标准CMOS技术相比，由于需要大量额外的掩模和植入物，LDMOS晶体管的设计和制造具有挑战性。
图5 - STMicroelectronics ST1S03 BCD6工艺模具照片
图6 - STMicroelectronics ST1S03 N-LDMOS晶体管
BCD8技术大约在2011年首次发布。它具有0.18 μ m的CMOS栅极和四层CMP平面化铝金属，外加两层多晶硅与硅化钴，和浅沟槽隔离(STI)。发现N型和p型LDMOS晶体管，加上双极晶体管，多聚电容器和6T-SRAM存储器。图7是STMicroelectronics ST7570 BCD8模具的照片。互补的LDMOS晶体管位于右上角。在ST7570 BCD8模具上发现的LDMOS晶体管的一个例子如图8的横截面所示。从图3中可以看出，BCD8技术的高压绝缘体上硅(SOI)版本现在也可用，但还没有被TechInsights看到。
图7 - STMicroelectronics ST7570 BCD8模具照片
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特性，包括N和p型LDMOS晶体管，MIM电容，6T-SRAM和双极晶体管。图9显示了意法半导体FSB2D48 BCD9模的照片，而图10显示了FSB2D48 BCD9模上的N-LDMOS晶体管布局示例。
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]作为其BCD9 0.13 μ m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配层(RDL)。观察到的逻辑晶体管的最小接触栅极间距为0.6 μ m，即0.13 μ m，而不是ST声称的BCD9s的0.11 μ m。该技术现在集成了三种类型的隔离。深沟槽隔离(DTI)用于提供电路各块之间的隔离，CMOS逻辑使用STI, LDMOS功率晶体管块使用LOCOS隔离。这是TechInsights首次在一个模具上使用所有三种类型的隔离。图11是STMicroelectronics FDA801B-VYY BCD9s工艺模具边缘的横切面视图，显示了DTI和RDL特征。TechInsights正计划对BCD9s技术进行进一步分析，这将在即将发布的报告中提供。
图11 - STMicroelectronics FDA801B-VYY BCD9s工艺模具边缘
BCD技术继续是电力电子市场空间中积极创新的一个领域。与先进的CMOS不同，BCD技术的挑战在于在给定区域内集成最大数量的MOS晶体管，因此不断追求更小的特征尺寸，BCD技术的驱动是需要将各种不同的有源器件集成到单个模具上。这需要仔细平衡每种设备类型的不同工程需求。
表1 -意法半导体微电子BCD工艺流程总结
| 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 |
| 面具日期 | 1999 | 1998 | 2004 | 2009 | 1998 | 2012 | 2014 |
| 一代 | 1µm | 1µm | 0.35µm | 0.18µm | 3µm | 0.13µm | 0.11µm(声称) |
| 数量的金属 | 3. | 3. | 3. | 4 | 1 | 5 | 3. |
| 多边形的数量 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 |
| 硅化物 | WSi公司 | - | TiSi | 阿大 | - | 阿大 | 阿大 |
| RDL | 没有 | 没有 | 没有 | 没有 | 没有 | 没有 | 是的 |
| 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 |
| CMP | 没有 | 没有 | 是的 | 是的 | 没有 | 是的 | 是的 |
| 隔离 | LOCOS | LOCOS | LOCOS | STI | LOCOS | STI | LOCOS STI 贸易工业部 |
| 功率晶体管 | DMOS结构 | DMOS结构 | LDMOS与LOCOS | LDMOS与STI | LDMOS与LOCOS | LDMOS与STI | LDMOS与LOCOS |
| 双极晶体管 | NPN型 | NPN型和PNP型 | NPN型 | NPN型 | NPN型 | NPN型和PNP型 | NPN型 |
| 被动者 | 电阻 | 电阻，多聚电容器和二极管 | 电阻，多聚电容器和二极管 | 电阻和聚聚电容器 | 电阻和聚聚电容器 | MIM电容器和电阻 | 电容和电阻 |
| 静态存储器 | 没有 | 没有 | 没有 | ST-SRAM | 没有 | 6 t-sram | 是的 |
TechInsights对意法半导体BCD9S的完整分析包含在我们新的功率半导体订阅中。
本次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，加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)的结构分析，包括电特性，报告编号# 0500- 4276 - fs43，技术导报，2000年5月26日。
- STMicroelectronics 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
- STMicroelectronics ST1S03 BCD6 LDMOS工艺审查，PPR-0601-801，技术观察，2006年1月16日。
- STMicroelectronics ST7570 180 nm BCD8 -工艺分析报告，TechInsights, TechInsights, pp -1101-801, 2011年7月1日。
- STMicroelectronics ST7570 N-LDMOS和P-LDMOS BCD电气特性报告，技术观察，cwrr -1103-906, 2011年3月3日。
- 意法半导体L6390DTR高压高/低侧驱动BCD离线工艺评审，技术观察，PPR-1301-803, 2013年8月1日。
- 法意半导体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
