Processus BCD

Qu'est-ce que le processus BCD ?

Le procédé BCD est une technologie d'intégration sur une seule puce, introduite pour la première fois par ST en 1986. Cette technologie permet de fabriquer des dispositifs bipolaires, CMOS et DMOS sur une même puce. Son utilisation permet de réduire considérablement la surface de la puce.

On peut affirmer que le procédé BCD exploite pleinement les avantages de la technologie bipolaire, de la haute intégration et de la faible consommation d'énergie de la technologie CMOS, ainsi que de la haute tension et de la capacité de courant élevée de la technologie DMOS. Parmi ces avantages, la technologie DMOS est essentielle pour optimiser la consommation d'énergie et l'intégration. Avec le développement continu de la technologie des circuits intégrés, le procédé BCD est devenu la technologie de fabrication dominante des circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC).

Diagramme en coupe du processus BCD, réseau source, merci

Avantages du processus BCD

Le procédé BCD permet d'intégrer simultanément des transistors bipolaires, CMOS et DMOS sur une même puce. Il combine la transconductance élevée et la forte capacité de charge des transistors bipolaires avec la haute intégration et la faible consommation des CMOS, offrant ainsi une complémentarité optimale et des avantages respectifs. Parallèlement, les DMOS peuvent fonctionner en mode de commutation avec une consommation extrêmement faible. En résumé, la faible consommation, le rendement énergétique élevé et la haute intégration constituent les principaux atouts du BCD. Ce procédé permet de réduire significativement la consommation d'énergie, d'améliorer les performances du système et d'accroître sa fiabilité. Les fonctionnalités des produits électroniques étant en constante augmentation, les exigences en matière de gestion des variations de tension, de protection des condensateurs et d'autonomie des batteries sont de plus en plus cruciales. La rapidité et l'économie d'énergie du BCD répondent aux exigences des puces analogiques/de gestion de l'énergie hautes performances.

Technologies clés du processus BCD

Les dispositifs typiques du procédé BCD comprennent les transistors CMOS basse tension, les transistors MOS haute tension, les transistors LDMOS à différentes tensions de claquage, les diodes NPN/PNP verticales et les diodes Schottky, etc. Certains procédés intègrent également des composants tels que des JFET et des EEPROM, ce qui explique la grande variété de dispositifs disponibles en BCD. Par conséquent, outre la prise en compte de la compatibilité entre les dispositifs haute et basse tension, les procédés à double clic et les procédés CMOS, etc., une technologie d'isolation appropriée doit également être envisagée lors de la conception.

Dans le domaine de l'isolation des transistors BCD, de nombreuses technologies telles que l'isolation par jonction, l'auto-isolation et l'isolation diélectrique ont émergé successivement. L'isolation par jonction consiste à réaliser le dispositif sur une couche épitaxiale de type N déposée sur un substrat de type P et à exploiter les caractéristiques de polarisation inverse de la jonction PN pour obtenir l'isolation, cette dernière présentant une résistance très élevée sous polarisation inverse.

La technologie d'auto-isolation repose essentiellement sur l'isolation par jonction PN. Elle exploite les caractéristiques naturelles de la jonction PN entre les régions source et drain du dispositif et le substrat pour assurer l'isolation. Lorsque le transistor MOS est conducteur, la région source, la région drain et le canal sont entourés par la zone de déplétion, formant ainsi une isolation avec le substrat. Lorsqu'il est bloqué, la jonction PN entre la région drain et le substrat est polarisée en inverse, et la haute tension de la région source est isolée par la zone de déplétion.

L'isolation diélectrique utilise des matériaux isolants tels que l'oxyde de silicium. S'appuyant sur l'isolation diélectrique et l'isolation par jonction, l'isolation quasi-diélectrique a été développée en combinant les avantages des deux. En adoptant sélectivement cette technologie d'isolation, il est possible d'obtenir une compatibilité haute et basse tension.

Orientation du développement du processus BCD

Le développement de la technologie BCD diffère de celui du procédé CMOS standard, qui a toujours suivi la loi de Moore pour évoluer vers une finesse de gravure plus faible et une vitesse de gravure plus élevée. Le procédé BCD se distingue et s'est développé selon trois axes principaux : haute tension, haute puissance et haute densité.

1. Direction BCD haute tension

La technologie BCD haute tension permet de fabriquer simultanément des circuits de commande basse tension haute fiabilité et des circuits DMOS ultra-haute tension sur une même puce, et de réaliser des dispositifs haute tension de 500 à 700 V. Cependant, elle reste généralement plus adaptée aux produits exigeant des composants de puissance relativement performants, notamment les transistors bipolaires (BJT) ou les transistors DMOS à courant élevé, et peut être utilisée pour la commande de puissance dans l'éclairage électronique et les applications industrielles.

La technologie actuelle de fabrication des transistors BCD haute tension est la technologie RESURF proposée par Appel et al. en 1979. Ce dispositif utilise une couche épitaxiale légèrement dopée afin d'uniformiser la distribution du champ électrique en surface, améliorant ainsi les caractéristiques de claquage de surface. Le claquage se produit alors dans le cœur du transistor et non en surface, ce qui augmente sa tension de claquage. Le dopage léger est une autre méthode permettant d'accroître la tension de claquage des BCD. Il repose principalement sur l'utilisation de drains à double diffusion (DDD) et à faible dopage (LDD). Dans la région de drain DMOS, une zone de dérive de type N est ajoutée afin de modifier le contact initial entre le drain N+ et le substrat de type P en un contact entre le drain N- et le substrat de type P, augmentant ainsi la tension de claquage.

2. Direction BCD haute puissance

La plage de tension des transistors BCD haute puissance est de 40 à 90 V. Ils sont principalement utilisés dans l'électronique automobile, qui exige une capacité de courant élevée, une tension moyenne et des circuits de commande simples. Leurs caractéristiques principales sont une capacité de courant élevée, une tension moyenne et un circuit de commande généralement simple.

3. Direction BCD haute densité

La technologie BCD haute densité, dont la plage de tension est de 5 à 50 V (et jusqu'à 70 V pour certains composants électroniques automobiles), permet d'intégrer des fonctions de plus en plus complexes et variées sur une même puce. Grâce à une conception modulaire, elle offre une grande diversification des produits et est principalement utilisée dans l'électronique automobile.

Principales applications du procédé BCD

Le procédé BCD est largement utilisé dans la gestion de l'énergie (contrôle de l'alimentation et des batteries), le pilotage d'écrans, l'électronique automobile, le contrôle industriel, etc. Les circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) constituent un type important de circuits analogiques. L'association du procédé BCD et de la technologie SOI représente également une caractéristique majeure du développement du procédé BCD.

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