BCD-Prozess

Was ist der BCD-Prozess?

Das BCD-Verfahren ist eine von ST im Jahr 1986 eingeführte, auf einem einzigen Chip integrierte Fertigungstechnologie. Mit dieser Technologie lassen sich Bipolar-, CMOS- und DMOS-Bauelemente auf demselben Chip herstellen. Dadurch wird die Chipfläche erheblich reduziert.

Man kann sagen, dass das BCD-Verfahren die Vorteile der bipolaren Ansteuerung, der hohen Integration und des geringen Stromverbrauchs von CMOS sowie der hohen Spannungs- und Strombelastbarkeit von DMOS voll ausschöpft. DMOS ist dabei der Schlüssel zur Verbesserung von Leistung und Integration. Mit der Weiterentwicklung der integrierten Schaltungstechnik hat sich das BCD-Verfahren zur Standardfertigungstechnologie für PMICs entwickelt.

BCD-Prozess-Querschnittsdiagramm, Quellnetzwerk, danke

Vorteile des BCD-Verfahrens

Das BCD-Verfahren integriert Bipolar-, CMOS- und DMOS-Leistungshalbleiter gleichzeitig auf einem Chip. Dabei werden die hohe Transkonduktanz und die starke Ansteuerbarkeit von Bipolarbauelementen mit der hohen Integration und dem geringen Stromverbrauch von CMOS kombiniert, sodass sich die jeweiligen Vorteile optimal ergänzen. Gleichzeitig kann DMOS im Schaltbetrieb mit extrem niedrigem Stromverbrauch arbeiten. Kurz gesagt: Geringer Stromverbrauch, hohe Energieeffizienz und hohe Integration zählen zu den Hauptvorteilen des BCD-Verfahrens. Es reduziert den Stromverbrauch signifikant, verbessert die Systemleistung und erhöht die Zuverlässigkeit. Die Funktionen elektronischer Produkte nehmen stetig zu, und die Anforderungen an Spannungsänderungen, Kondensatorschutz und Batterielebensdauer steigen kontinuierlich. Die hohen Geschwindigkeits- und Energiespareigenschaften des BCD-Verfahrens erfüllen die Prozessanforderungen für leistungsstarke Analog-/Energiemanagement-Chips.

Schlüsseltechnologien des BCD-Prozesses

Typische Bauelemente des BCD-Prozesses umfassen Niederspannungs-CMOS-Transistoren, Hochspannungs-MOSFETs, LDMOS-Transistoren mit verschiedenen Durchbruchspannungen, vertikale NPN/PNP- und Schottky-Dioden usw. Einige Prozesse integrieren auch Bauelemente wie JFETs und EEPROMs, was zu einer großen Vielfalt an Bauelementen im BCD-Prozess führt. Daher muss bei der Entwicklung neben der Kompatibilität von Hochspannungs- und Niederspannungsbauelementen, BCD-Prozessen und CMOS-Prozessen usw. auch eine geeignete Isolationstechnik berücksichtigt werden.

In der BCD-Isolationstechnologie haben sich zahlreiche Verfahren wie die Sperrschichtisolation, die Selbstisolation und die dielektrische Isolation entwickelt. Bei der Sperrschichtisolation wird das Bauelement auf der N-dotierten Epitaxieschicht eines P-dotierten Substrats hergestellt. Die Sperrcharakteristik des PN-Übergangs wird zur Isolation genutzt, da der PN-Übergang unter Sperrspannung einen sehr hohen Widerstand aufweist.

Die Selbstisolationstechnologie basiert im Wesentlichen auf der PN-Übergangsisolation. Sie nutzt die natürlichen PN-Übergangseigenschaften zwischen Source- und Drain-Bereich des Bauelements und dem Substrat, um eine Isolation zu erreichen. Im eingeschalteten Zustand des MOSFETs sind Source-, Drain- und Kanalbereich von der Verarmungszone umgeben und somit vom Substrat isoliert. Im ausgeschalteten Zustand ist der PN-Übergang zwischen Drain und Substrat in Sperrrichtung vorgespannt, und die hohe Spannung im Source-Bereich wird durch die Verarmungszone isoliert.

Die dielektrische Isolation nutzt isolierende Medien wie Siliziumdioxid. Aufbauend auf dielektrischer und übergangsseitiger Isolation wurde die quasi-dielektrische Isolation entwickelt, die die Vorteile beider Verfahren vereint. Durch die gezielte Anwendung dieser Isolationstechnologien lässt sich Hoch- und Niederspannungskompatibilität erreichen.

Entwicklungsrichtung des BCD-Prozesses

Die Entwicklung der BCD-Prozesstechnologie unterscheidet sich von der des Standard-CMOS-Prozesses, der sich stets nach dem Mooreschen Gesetz in Richtung kleinerer Leiterbahnbreiten und höherer Geschwindigkeiten entwickelt hat. Der BCD-Prozess lässt sich grob in drei Richtungen differenzieren und weiterentwickeln: Hochspannung, hohe Leistung und hohe Dichte.

1. Hochspannungs-BCD-Richtung

Hochvolt-BCD ermöglicht die gleichzeitige Fertigung hochzuverlässiger Niederspannungs-Steuerschaltungen und Ultrahochspannungs-DMOS-Schaltungen auf demselben Chip und die Produktion von Hochspannungsbauteilen im Bereich von 500–700 V. Im Allgemeinen eignet sich BCD jedoch weiterhin für Produkte mit relativ hohen Anforderungen an die Leistungshalbleiter, insbesondere an BJT- oder Hochstrom-DMOS-Bauteile, und kann zur Leistungssteuerung in der elektronischen Beleuchtung und in industriellen Anwendungen eingesetzt werden.

Die derzeitige Technologie zur Herstellung von Hochspannungs-BCDs basiert auf der RESURF-Technologie, die 1979 von Appel et al. vorgeschlagen wurde. Das Bauelement wird mithilfe einer schwach dotierten Epitaxieschicht gefertigt, um eine gleichmäßigere elektrische Feldverteilung an der Oberfläche zu erzielen. Dadurch werden die Oberflächen-Durchbrucheigenschaften verbessert, sodass der Durchbruch im Inneren des Bauelements und nicht an der Oberfläche erfolgt, was die Durchbruchspannung erhöht. Eine weitere Methode zur Erhöhung der Durchbruchspannung von BCDs ist die leichte Dotierung. Hierbei kommen hauptsächlich doppelt diffundierte Drain-Elektroden (DDD – Double Doping Drain) und schwach dotierte Drain-Elektroden (LDD – Lightly Doping Drain) zum Einsatz. Im DMOS-Drainbereich wird eine N-dotierte Driftzone eingefügt, um den ursprünglichen Kontakt zwischen dem N+-Drain und dem P-dotierten Substrat in einen Kontakt zwischen dem N--Drain und dem P-dotierten Substrat umzuwandeln und so die Durchbruchspannung zu erhöhen.

2. Hochleistungs-BCD-Richtung

Der Spannungsbereich von Hochleistungs-BCDs liegt zwischen 40 und 90 V. Sie werden hauptsächlich in der Automobilelektronik eingesetzt, die eine hohe Strombelastbarkeit, mittlere Spannungen und einfache Steuerschaltungen erfordert. Ihre Anforderungen sind hohe Strombelastbarkeit, mittlere Spannung und eine oft relativ einfache Steuerschaltung.

3. BCD-Richtung mit hoher Dichte

Hochdichte BCD-Chips arbeiten im Spannungsbereich von 5–50 V, wobei einige Automobilelektronikkomponenten bis zu 70 V erreichen. Immer komplexere und vielfältigere Funktionen lassen sich auf demselben Chip integrieren. Hochdichte BCD-Chips nutzen modulare Designprinzipien zur Produktdiversifizierung und werden hauptsächlich in der Automobilelektronik eingesetzt.

Hauptanwendungen des BCD-Verfahrens

Der BCD-Prozess findet breite Anwendung im Energiemanagement (Leistungs- und Batteriesteuerung), in Display-Ansteuerungen, Automobilelektronik, industrieller Steuerungstechnik usw. Power-Management-Chips (PMICs) zählen zu den wichtigsten Analogchips. Die Kombination von BCD-Prozess und SOI-Technologie ist ein wesentliches Merkmal der Weiterentwicklung des BCD-Prozesses.

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