1.2 特殊工艺制程技术

1.2.1 BiCMOS工艺制程技术简介^［5,6］

随着集成电路的快速发展及其应用领域的不断扩大，通信业界对于大规模集成电路的小型化、高速、低电源电压、低功耗和高性价比等方面的要求越来越高。虽然传统的双极型工艺集成电路具有高速度、强电流驱动和高模拟精度等方面的优点，但双极型工艺集成电路在功耗和集成度方面却无法满足VLSI系统集成多方面的发展需要，而CMOS工艺集成电路在低功耗、高度集成和强抗干扰能力等方面有着双极型工艺集成电路无法比拟的优势，但是20世纪70、80年代的CMOS工艺集成电路速度低、驱动能力差，它只能满足低速的数字集成电路和小功率模拟集成电路的要求。由此可见，无论是单一早期落后的CMOS工艺制程技术，还是单一的双极型工艺制程技术都无法满足VLSI系统集成多方面性能的要求，因此只有融合CMOS工艺制程技术和双极型工艺制程技术这两种工艺制程技术各自的优点，才能满足早期VLSI系统集成多方面的要求，制造具有CMOS工艺制程技术和双极型工艺制程技术特点的BiCMOS工艺制程技术才是早期VLSI发展的必然产物。BiCMOS是双极-互补金属氧化物半导体，简单来说BiCMOS工艺制程技术是将双极型器件和CMOS器件同时制造在同一芯片上^［7］，发挥它们各自的优势，克服各自的缺点，综合双极型器件的高跨导、强驱动能力和CMOS器件的低功耗、高集成度的优点，使BiCMOS工艺集成电路集高速度、高集成度和低功耗于一体，为高速、高集成度、高性能及强驱动的集成电路发展开辟了一条新的道路。

按照基本工艺制程技术的类型，BiCMOS工艺制程技术又可以分为以CMOS工艺制程技术为基础的BiCMOS工艺制程技术，或者以双极型工艺制程技术为基础的BiCMOS工艺制程技术。以CMOS工艺制程技术为基础的BiCMOS工艺制程技术对保证MOS器件的性能比较有利，而以双极型工艺制程技术为基础的BiCMOS工艺制程技术对保证双极型器件的性能比较有利。由于实际应用中，影响BiCMOS器件性能的主要是双极型晶体管部分，因此以双极型工艺制程技术为基础的BiCMOS工艺制程技术较为常用。

图1-15所示为0.35μm BiCMOS工艺制程技术的器件剖面图。它是以传统CMOS工艺制程技术为基础，增加少量的工艺步骤而成。它包含3.3V NMOS、3.3V PMOS、纵向NPN结构（VNPN）和横向PNP结构（LPNP）。

BiCMOS工艺集成电路的基本设计思想是芯片内部核心逻辑部分采用CMOS器件为主要单元门电路，而输入输出缓冲电路和驱动电路要求驱动大电容负载，所以输入输出缓冲电路和驱动电路使用双极型器件，这是最早的BiCMOS工艺集成电路的设计方案。因此BiCMOS工艺集成电路既具有CMOS工艺集成电路的高集成度和低功耗的优点，又获得了双极型工艺集成电路的高速和强电流驱动能力的优势。

随着BiCMOS工艺制程技术的不断进步，在更先进的BiCMOS工艺制程技术中，设计人员已经可以将双极型器件也集成到逻辑门中，因为这样可以大幅提升逻辑门的速度，虽然加入双极型器件的逻辑门会增加大概10%～20%的面积，但是考虑到其负载能力的增强，与CMOS逻辑门相比，在相同驱动能力条件下，BiCMOS逻辑门的实际集成度还是有很大的提升。另外与CMOS逻辑门类似，BiCMOS逻辑门电路的输出端两管轮番导通，所以这种BiCMOS逻辑门的静态功耗几乎接近于零，而且在同样的设计尺寸下，BiCMOS逻辑门的速度会更加快。

图1-16所示为基本的BiCMOS反相器逻辑门电路，为了使表达起来更清楚，MOS器件用符号M_n和M_p表示，M_n表示NMOS，M_p表示PMOS，双极型器件用T表示。T₁和T₂构成推拉式输出级，而M_p、M_n、M_n1和M_n2所组成的输入级与基本的CMOS反相器逻辑门的输入级很相似。输入信号同时作用于M_p和M_n的栅极。当输入信号为高电压时M_n导通而M_p截止；而当输入信号为低电压时，情况则相反，M_p导通，M_n截止。当输出端接有同类BiCMOS逻辑门电路时，输出级能提供足够大的电流为电容性负载充电。同理，已充电的电容负载也能迅速地通过T₂放电。

上述电路中T₁和T₂的基区存储电荷亦可通过M_n1和M_n2释放，以加快电路的开关速度。当输入信号为高电压时M_n1导通，T₁基区的存储电荷迅速消散。这种作用与TTL门电路的输入级中T₁类似。同理，当输入信号为低电压时，电源电压VDD通过M_p提供激励使M_n2导通，显然T₂基区的存储电荷通过M_n2而释放。所以门电路的开关速度可得到有效的改善。

在功耗方面，以32位的CPU采用CMOS工艺制程技术为例，CPU芯片外主线要有较大的带电容负载的能力。32位的CPU包含有10个或者更多的接口器件，但同一时间内只有一条主线是激活的，即每一条主线有90%的时间不工作。如果采用双极工艺制程技术制作传统的接口驱动电路可以保证数据传输速度，但是功耗却大了些。因为单纯双极型接口驱动电路，即使接口驱动电路不被激活时它也在不停地消耗功率，所以整个CPU的静态功耗非常大。如果利用BiCMOS工艺制程技术制造接口驱动电路，则不被激活的接口驱动电路功耗非常小，在很多情况下，静态功耗可以节省接近100%，而传统主线接口驱动电路的功耗约占整个系统功耗的30%，所以这种省电效果非常显著，因而特别适用于手机、个人数字处理器和笔记本电脑等一类使用电池的通信、计算机和网络设备中。更为有利的是，BiCMOS数字集成电路的速度与先进的双极型电路不相上下，这与高速数字通信系统的速度要求是相适应的。

目前，BiCMOS工艺制程技术主要用于RF电路、LED控制驱动和IGBT控制驱动等芯片设计，对于高度集成的片上系统（SOC）芯片设计，CMOS工艺制程技术还是最理想的选择。

1.2.2 BCD工艺制程技术简介

1986年，意法半导体（ST）公司率先研制成功BCD工艺制程技术。BCD工艺制程技术就是把BJT，CMOS和DMOS器件同时制作在同一芯片上。BCD工艺制程技术除了综合了双极器件的高跨导和强负载驱动能力，以及CMOS的高集成度和低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自的优点外，更为重要的是它还综合了高压DMOS器件的高压大电流驱动能力的特性，使DMOS可以在开关模式下工作，功耗极低。从而不需要昂贵的陶瓷封装和冷却系统就可以将大功率传递给负载。低功耗是BCD工艺集成电路的一个主要优点之一。

BCD工艺集成电路可大幅降低功率耗损，提高系统性能，节省电路的封装成本，并具有更好的可靠性。在BCD工艺集成电路中，DMOS器件采用厚的栅氧化层，更深的结深和更大的沟道长度。另外，DMOS器件的独特耐高压结构决定了它的漏极能承受高压，而且可在小面积内做超大尺寸器件，做到高集成度。DMOS器件适合用于设计模拟电路和输出驱动，尤其是高压功率部分，但不适合做逻辑处理，CMOS器件可以弥补它这个缺点。

DMOS与CMOS器件结构类似，也是由源、漏和栅组成，但是DMOS器件的漏极击穿电压非常高。DMOS器件主要有两种类型，一种是VDMOS（Vertical Double Diffused MOSFET，垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管），另一种是LDMOS（Lateral Double Diffused MOSFET，横向双扩散金属氧化物半导体场效应管）。图1-17所示为VDMOS和LDMOS剖面图。图1-17a是VDMOS分立器件的剖面图，它的漏极是从衬底接线的，它的源极，栅极和漏极不在一个平面，所以它只能做分立器件，而不能与其他CMOS集成在一个芯片。图1-17b是与CMOS工艺制程技术兼容的VDMOS的剖面图，它的三端（源极，栅极和漏极）是在一个平面，VDMOS器件的沟道长度是由轻掺杂的p型漂移区决定的，漏极通过轻掺杂的HVNW连接沟道，它可以有效防止源漏穿通，在漏极电压较高的情况下，该区域会完全耗尽，因而可以承受很大的电压差。图1-17c是与CMOS工艺制程技术兼容的LDMOS的剖面图，它的三端（源极，栅极和漏极）也是在同一个平面，LDMOS与VDMOS的主要区别是LDMOS的电流横向流动。与CMOS工艺制程技术兼容的VDMOS和LDMOS被广泛应用于集成电路设计。P_drift是p型漂移区，N_drift是n型漂移区，HVNW（High Voltage N-WELL）是高压n型阱。

DMOS器件是功率输出级电路的核心，它往往占据整个芯片面积的一半以上，它是整个BCD工艺集成电路的关键。DMOS的核心部件是由成百上千的单一结构的DMOS单元所组成的，它的面积是由一个芯片所需要的驱动能力所决定的。既然DMOS器件在BCD工艺集成电路中的作用如此重要，所以它的性能直接决定了芯片的驱动能力和芯片面积。对于一个由多个基本单元结构组成的DMOS器件，其中一个最重要的参数是DMOS器件的导通电阻R_dson。R_dson是指在DMOS器件导通工作时，从漏到源的等效电阻。对于DMOS器件应尽可能减小导通电阻，这是BCD工艺制程技术所追求的目标。当DMOS器件的导通电阻很小时，它就会提供一个很好的开关特性，因为对于特定的电压，小的导通电阻意味着有较大的输出电流，从而可以具有更强的驱动能力。DMOS的主要技术指标有：导通电阻、阈值电压和击穿电压等。

BCD工艺制程技术的发展不像标准CMOS工艺制程技术那样一直遵循摩尔定律向更小线宽、更快的速度方向发展。BCD工艺制程技术朝着三个方向分化发展：高压、高功率和高密度。

1）高压BCD工艺制程技术主要的电压范围是500～700V，高压BCD工艺制程技术主要的应用是电子照明和工业控制。

2）高功率BCD工艺制程技术主要的电压范围是40～90V，主要的应用是汽车电子和手机RF功率放大器输出级。它的特点是大电流驱动能力和中等电压，而控制电路往往比较简单。

3）高密度BCD工艺制程技术主要的电压范围是5～50V，一些汽车电子应用会到70V，在此应用领域，BCD技术将集成越来越复杂的功能，比如将信号处理器和功率激励部分同时集成在同一块芯片上。

未来电子系统的主要市场是多媒体应用、便携性及互联性。这些系统中会包含越来越复杂的高速集成电路，加上专用的多功能芯片来管理外围的显示、灯光、照相、音频和射频通信等。为实现低功耗和高效率功率模块，需要混合技术来提供高压能力和超低漏电以保证足够的待机时间，同时在电池较低的电压供电下也能保持良好的性能，目前一些新兴BCD技术正在形成。

1）RF-BCD主要用于实现手机RF功率放大器输出级。

2）SOI-BCD主要用于无线通信的各种数字用户线路驱动。SOI-BCD有利于减少各种寄生效应，但是由于早期SOI材料很昂贵，没有得到广泛应用。进入21世纪，SOI才正逐渐成为主流的工艺制程技术，SOI是许多特定应用的上佳选择。

1.2.3 HV-CMOS工艺制程技术简介

BCD工艺制程技术只适合某些对功率器件尤其是BJT或大电流DMOS器件要求比较高的IC产品。BCD工艺制程技术的工艺步骤中包含大量工艺是为了改善BJT和DMOS的大电流特性，所以它的成本相对传统的CMOS要高很多。对于一些用途单一的LCD和LED高压驱动芯片，它们的要求是驱动高压信号，并没有大功率的要求，所以一种基于传统CMOS工艺制程技术的低成本的HV-CMOS工艺制程技术被开发出来。HV-CMOS工艺制程技术是传统CMOS工艺制程技术向高压的延伸，由于HV-CMOS工艺制程技术的成本比BCD工艺制程技术低，所以利用HV-CMOS工艺制程技术生产出来的产品在市场上更具的竞争力。

HV-CMOS工艺制程技术是把CMOS和DDDMOS（Double Drift Drain MOS）/ FDMOS（Field Oxide Drift MOS）制造在同一个芯片上。DDDMOS和FDMOS属于高压MOS器件，高压MOS器件与DMOS不同，DMOS的优点是高跨导（导通电阻低）、强负载驱动能力和高功率，而高压MOS器件的优点是工作电压是中高压（一般小于40V），尺寸小和集成度高。高压MOS器件比DMOS的电流驱动能力要差很多，但并不影响芯片功能。高压MOS的器件结构决定了它的源极和漏极都能承受高压，高压MOS器件适合用于模拟电路和输出驱动，尤其是高压部分，但不适合做逻辑处理，CMOS器件可以弥补它这个缺点。

图1-18所示为0.13μm HV-CMOS的高压器件的剖面图，只画出了高压器件HVNMOS和HVPMOS的剖面图，没有把CMOS的部分画出来。PF（P-Field）是p型场区，NF（N-Field）是n型场区，HVPW是（High Voltage P-WELL）是高压p型阱。HVNMOS制造在HVPW里，源极或者漏极与器件沟道用STI隔开，NF的目的是提高源极或者漏极与衬底HVPW的击穿电压。HVPMOS制造在HVNW里，源极或者漏极与器件沟道也用STI隔开，PF的目的是提高源极或者漏极与衬底HVNW的击穿电压。HV-CMOS工艺制程技术是以传统CMOS工艺制程技术为基础，增加少量的高压工艺步骤而成，例如HVPW、HVNW、NF、PF和高压栅介质层。

HV-CMOS工艺制程技术主要应用在AC/DC转换电路，DC/DC转换电路，高压数模混合电路等。HV-CMOS工艺集成电路主要应用在LCD和LED屏幕驱动芯片。