（电路与系统专业论文）bcd工艺在电源管理ic设计中的应用.pdf

塑至奎兰堡圭堂垒笙壅 匕璺! 墨垒墨8 摘要 随着现代电源技术的发展，电源管理集成电路( 简称i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的应用日趋广泛，相应的研究也得到高度的关注，发展迅速。由于电源管理中不 可避免地涉及较高工作电压与较强工作电流的问题，对此类集成电路的设计与工 艺提出了更高的要求。因此，开展对可适用于电源管理类i c 设计的集成电路工 艺及其在电源管理i c 设计中的应用的研究就显得非常必要。 本文在分析了一种适合用于电源管理i c 设计的双极型c m o s 。d m 0 s ( 简称 b c d ，b i p o l 褂c m o s d m o s ) 工艺的原理和特点基础上，讨论了b c d 工艺中双 极型、c m o s 和d m o s 器件的实现方法：然后结合电源管理芯片中的典型i p 模 块，包括电压基准源、运算跨导放大器、模拟乘法器、输出驱动电路等，给出了 在b c d 工艺支持下的单元电路设计实例；最后，成功运用所完成的i p 模块设计 与构成了一个有源功率因数校正器芯片，给出了采用b c d 工艺设计与实现的完 整的电源管理i c 设计实例。论文介绍了芯片的系统、模块和版图设计，详细讨 论了采用b c d 工艺实现设计时的各种要求和考虑，尤其是不同类型器件的合理 应用和底层设计中的缜密考虑，为芯片功能的成功实现提供了有力的保证。 整个论文工作与电源管理i c 的项目研究与开发结合紧密。采用b c d 工艺设 计实现的有源功率因数校正器芯片亦已在美国国家半导体公司的支持下流片成 功，经测试，其主要特性与预期设计目标相符。 通过论文的努力，构建与完善了以b c d 工艺为基础的电源管理芯片的设计 平台，论文提出的采用b c d 工艺实现电源管理i c 芯片的设计方法和技术亦为各 种类型的电源管理芯片设计以及s o c 中的电源设计积累了有益的经验，所构成 的i p 模块已成功应用于实际电路设计，为建立和丰富相应的电源管理i p 库做出 了贡献。 关键词：b c d 工艺，电源管理i p ，功率集成电路，版图设计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e mp o w e rt e c h n o l o g y ，t h ep o w e rm a l l a g e m e n ti c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) h a sp r o g r e s s e dr 印i d l ya i l df o u n dm o r ea 1 1 dm o r e 印p l i c a t i o n si n i n d u s t r 弘t h u si t sr e s e a r c hh a sa t 廿a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s a si sw e hk n o w n t l l a ti na p p l i c a t i o n so fp o w e rm a n a g e m e n ti ti su s u a l l yn e c e s s a r yt od e a l 埘t ht h e h i g h e rv o l t a g e 趾dc u r r e n t ，w h i c hb r i n g st l l ec h a l l e n g et om ed c s i g na n dm a i l u f a c t i l r e o fp o w e rm a i l a g e m e n ti c t h e r e f o r e ，i ti sm e a l l i n g f u lt os t u d ya 1 1 dd e v e l o pt h e p r o c e s sa p p l i c a b l et ot h ep o w e rm a i l a g e m e n ti ca i l d “s 印p l i c a t i o n si n “sd e s i g n t h i st 1 1 e s i sa n a l y z e dt 1 1 et h e o r ya 1 1 dc h a r a c t c r i s t i c so fb i p o l 廿c m o s - d m o s ( b c d ) p r o c e s sw h i c hi se s p e c i a l l yf i tf o rt h ed e s i g na 1 1 dm a i l u f 犯七u r eo fp o w e r m a n a g e m e n ti c t h em a l l u f 酏t u r eo fb i p 0 1 a r 、c m o sa n dd m o sd e v i c e si nb c d p r o c e s sw a sd i s c u s s e d a n da se x 姗p l e s ，s o m et y p i c 以i pc i r c u i tm o d u l e smp o w e r m a l l a g e m e mi cb a s e do nb c dt c c l l n 0 1 0 9 yw e r ei n 仃o d u c e ds u c ha sb a l l d g a p r e f e r e n c e ，0 1 1 a ( o p e r a t i o n a lt r a n s c o r l d u c t a n c ea m p i i f i e r ) ，a n a l o gm u l t i p l i e r ，o u t p u t d r i v e rs t a g e ，e t c f i n a l l y ，aw h 0 1 ed e s i g no fa p f c ( a c t i v ep o 、v e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) p r e r e g u l a t o rw a sg i v e n ，w h i c hi sd e s i 弘e da n dm a n u f k t u r e di nb c dp m c e s s t h e d e s i 印o fi t ss y s t e m 、m o d l j l ec i r c u i t sa n dl a y o u tw a sd e s c 曲e d t h es k i l l sa i l ds o m e p r e c a l n i o n si nt h ed e s i 9 1 1i sd i s c u s s e di nd e t a i l se s p e c i a l l ys o m e1 i k et 1 1 ec h o i c ea n d i m p l e m 觚t a t i o n so ft l ed i 丘b r e n td e v i c e sa sw e l la si t sl a y o u td e s i g n a 1 1t h e s em a d e t h ec 1 1 i pd e s i g i lb ea c h i e v e ds u c c e s s f u l l y a 1 1w o r ko ft l l i st h e s i si sc l o s e l yc o l b i n e d 、 ，i t l ln l er e s e a r c ha n d d e v e l o p i n e n to f s o m ep o w e rm a n a g e m e n ti cd e s i g np r o j e c t s a l lo fm ei pm o d u l e sm e n t i o n e di nt 1 1 i s m e s i sh a v eb e e np r a c t i c a l l ya p p l i e dt ot 1 1 e s ed e s i g np r o j e c t s w i t h 也es u p p o r to f n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rc o i n p a i l y ，也ea p f cc h i ph a sb e e nt a p e do u t ，a n di t st e s t 协g r e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e c t a t i o n sw e l l t h ew o r ki nt 1 1 e s i si sb e n e f i c i a lt ot l l ec o n s m l c t i o na n di m p r o v c m e mo fp o w e r m a n a g e m e mi cd e s i g np l a t f o mb a s e do nb c dp m c e s s i ta l s om a d ec o m r i b m i o nt o c h i n e s ep o w e rm a l l a g e m e mi p1 i b r a r y 孔ed e s i 髓m e t h o d o l o g ya n dt e c l l l l 0 1 0 9 y e x 协l c t e d 丘o mm e 、0 r ko f r e r e ds o m eb e n e f i c i a le x p e r i e n c ef o rm ed e s i g no fp o w e r m a l l a g e m e n ti c sa sw e l la sp o w e rm o d u l e si ns o c k e y w o r d s ：b c dp r o c e s s ，p o w e rm a n a g e m e n t 咒p o w e ri c ，d e s i g no fl a y o u t 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 从电力电子到电源管理 上世纪七十年代末，中国电力电子学会成立，此后人们开始把用于大功率方 向的器件称为电力半导体。而微电子学则把这些相应的器件称为微电子器件，从 而也就有了电力电子器件之称。电力半导体和电力电子器件两个词几乎时同义 词，功率m o s f e t 的出现逐步改变了对功率半导体的传统理解。原有的电力电 子器件，基本上是一种服务于电力、大电机传动和工业应用的器件。用电力来称 呼功率以后，使从事电力电子技术的人，习惯于将这些大功率的器件看作功率半 导体的主体。但是功率m o s f e t 却使电力电子应用进入了许多中小功率的场合， 近年来，形成了以电脑、通讯、汽车、消费电子( 即所谓的4 个c ) 为中心的新的 电力电子应用领域。为了驱动m o s 型器件，高压集成电路( h v i c ) 也应运而生， 这也就是功率集成电路( p o 、e ri c ) 的开始。此后人们又发展了很多新器件，但是 正是因为p o 、v e r i c 逐步成为电力电子器件中的主导器件，才把电力电子推向了 电源管理的新时代【“。 经过了多年发展以后，功率集成电路在产值上也已经在整个电源管理半导体 中占有很大份额。一份对电源管理半导体的统计材料可以看出，电源管理半导体 主要包括两个部分，即功率集成电路和功率分立器件。前者包括很多种类别，大 致又分成电压调制器及其他接口i c 等等。后者则包括一些传统的电力电子器件， 如整流管，晶闸管及双极性晶体管，同时也包括含有m o s 结构的m o s f e t ，i g b t 等。电源管理半导体的全球销售收入在2 0 0 3 年时大概在1 6 0 亿美元左右。其中 i c 部分的销售总额已接近于整个电源管理半导体的一半( 4 5 5 ) ，而另外近三分 之一是含有m o s 结构的分立器件( 3 1 ) ，整流管及晶闸管约占1 6 8 ，其中晶 闸管约占整个电源管理半导体中的4 。近两年发布的统计结果显示：电源管理 半导体大概为整个半导体市场的9 ，同时电源管理i c 约占模拟i c 的2 1 ，而 分立器件中，约有6 0 属于电源管理分立半导体器件。 从这里可以看到，如果我们现在仍简单地把功率分立器件作为最主要的功率 半导体器件，那就相当于是忽视了电源管理半导体中近一半的功率i c 。在某种 程度上来说，正是因为功率i c 的大量发展，功率半导体爿改称为功率( 电源) 管 浙江大学硕士学位论文 理半导体。同时也正因为这么多i c 设计进入电力电子领域，人们才更多地以电 源管理来称呼现阶段的电力电子。 对于电源管理i c ( p o w e r m a n a g c m e n t i c ) 这个名称，有人称之为电源i c ( p o w e r s u p p l yi c ) 或控制i c ( c o n t r o li c ) ，也有人称之为功率i c ( p o w e ri c ) 。另外，关于 它所包含的产品类别，不同的统计公司对它们进行了不同的分类，不过，大体上 可归纳为下述几种，即： 1 )a c d c 、d c d c 调制i c 2 ) 线性电压调制i c ( 如l d o 等) 3 ) 脉宽调制或脉幅调制p w m p f m 控制i c 4 ) 功率因数控制p f c 预调制i c 5 ) 热插拔控制i c ( 避免在插拔接口电路时对工作系统的影响) 6 ) 便携式电池的充电和管理i c 7 ) 用于m o s f e t 或i g b t 的驱动i c 在上述这些i c 类别中，电压调制类i c 是发展最快，产量最大的一部分，这 里必须提到，半导体的龙头还是属于微处理器，m e m o r y 等等数位集成电路。这 和近年来电脑，通信及便携式产品的迅速发展有关。当微处理器、d s p 和m 锄o r y 等芯片应用时，常要求有更精确控制的电源，或要求电源和负载( l o a d ) 有紧密 的联系。因而就有了大量电源管理i c 卷入这个行业的机会。 1 。2 电源管理半导体的发展动力 这些年来的事实表明：节能是电力电子或电源管理半导体行业蓬勃发展的原 因。目前世界上有两个主要的耗能领域：电机和照明。两者消耗的能量几乎占全 球能耗的7 0 。每当夏季来临，我国常常发生电能短缺现象，这说明空调制冷 设备已是能量最大的消耗源之一。所以大力发展以电源管理i c 主导的变频空调， 已成为十分迫切的问题。当前不仅空调，就连冰箱、洗衣机也在向变频方向变化。 这是因为变频电器除了节电外，还有低噪声等优点。在照明方面，现在已经随处 可以买到以2 0 w 的能量取代7 5 w 照明的节能灯。有很多功率i c 可使这些节能 灯的寿命更长、性能更好，包括调光和保护视力的功能等。正在发展中的混和电 源汽车，也将是节能的一个重要研究方向。 浙江大学硕士学位论文 但作为电源管理而言，我们所看到的，不仅是着眼于节电大户，而更应关注 一些小功率的消费电器对节能的迫切需求。当前消费电器要求做的越来越小，所 以对电源管理半导体的要求就更高，因为电池的容量及改进是有限的。因此这也 是支持电源管理半导体持续上升的主要原因之一。它既是节电的要求，也是便携 式手持产品的特殊要求。而这些正成为电源管理i c 设计的主要研究方向。 随着各种家电设备和便携式手持电子设备的广泛使用，电源管理半导体己进 入了几乎每一种电子产品。目前我国每年正在生产超过千万台的空调、洗衣机、 冰箱、微波炉、彩电( 各种数字的，大屏幕的) ，上亿只手机、个人计算机，包括 当前很受青睐的数码照相机、d v 、m p 3 音乐播放器等等，这些都需要有电源管 理半导体去驱动和管理。近年来世界集成电路市场中，信息类占5 5 1 ( 通讯+ 计 算机) ，消费类占1 7 ，工业控制类占9 5 ，汽车占8 4 。而美国的一家著名 半导体公司i r 公司的电源管理半导体市场：信息类占4 7 、消费类占1 6 、汽 车类占1 9 、工业控制占1 7 ，两者有相似之处。此外，我国的半导体市场大 概是世界市场的1 8 2 0 ，当然这个比例正在逐步增大。而从电源管理半导 体来看，中国的市场大概占世界市场的1 8 。这两个例子都说明：由于电源管 理半导体与整个半导体配套，所以其各种比例也常常是相似的。 当然，更重要的不仅是数量的驱动，而是当微处理器按照摩尔定律不断使半 导体制造工艺变得更为精细时，功率问题处理不当就会成为i c 发展的瓶颈。因 此实际上正在逐步把发展的压力转嫁到电源管理i c 设计上了【。 在个系统中使用电源管理方案也许会略微增加产品的成本，但是从长远来 看这一功能可以给系统带来超过自身成本数倍的回报。如果在设计阶段就能关注 电源管理方面的需求，无疑将减小维护费用并可提升高可用性设备( 如网络服务 器和电信处理器) 的可靠性。电源管理方案通常可以提高系统可靠性： ( 1 ) ，使电源确保高性能：在许多特殊用途的集成电路( a s i c ) 都要求按一定的 次序供电。基于互锁多电压供电的电源管理策略要比基于定时分量的( 例如在容 阻网络中) 的电源管理策略更可靠，它可以在各种条件下提供电源轨的受控序列。 ( 2 ) ，可以调节电压余量：电源管理电路在程序的控制下，可以在预设的容差 范围内改变电路板的供电电压。这种内部功能有如下优点：设备工程技术人员可 把电压容差测试作为内部自测的一部分，或作为远程诊断测试序列的一部分，以 浙江大学硕士学位论文 实现用硬件设备控制远程设备电路板每天进行电压容差测试，发现退化电路，而 不让其影响系统总性能。 ( 3 ) ，增加系统的冗余度：高端计算设备或电信设备的设计通常采用冗余供电 设备、电源连接设备和子系统来保证设备具有一定的容错能力。一个板上的电源 系统可以通过安装检错功能来提高设备的可用性。 ( 4 ) ，可以减少计划外维护：工程技术人员可以通过应用软件在电源管理电路 中提供此功能，并通过网络来访问它，确保系统安全【3 】o 1 。3 国内外关于电源管理i c 研究的现状及趋势 目前关于电源管理i c 研究主要集中在，运用电源管理技术来降低电路和系 统的功耗，而这可以从软件实现和硬件实现两方面考虑： 首先在软件实现方面采取的机制和策略有：在嵌入式操作系统中使用电源管 理模块、考虑终端系统工作的功耗模式等应用设计技术等，使采用该技术的终端 能够在相同的电池容量情况下运行更长的时间。其中最常用的是一种“动态电源 的管理技术”，即：动态的分配系统资源，以最少的元器件或元器件最小工作量 的低耗能状态，来完成系统任务的一种降低功耗的设计方法。对于电源管理实施 时间的判断，要用到多种预测方法，根据历史的工作量来预测将来的工作量，决 定是否转换工作状态和何时转换。这就是动态电源管理技术的核心所在一动态电 源管理方法【4 j 。 使用动态电源管理技术的基本前提是，在工作时间内系统元件有着不相同的 工作量。大多数系统都具有此种情况。另外必须可以在一定程度上确信能够预知 系统、元件的工作量的波动性。这样才有转换耗能状态的可能，而且在对工作量 的观察和预知的时间内，系统不可以消耗过多的能量。 这种技术常常使用在嵌入式系统中。系统可用软件进行电源管理的基础是设 备具有可编程的特性。其相应的硬件设备可提供了多种功耗模式，如：常规模式、 空闲模式、休眠模式和睡眠模式。在不同的功耗模式下，系统的功耗也不一样。 根据系统当前的活动状况，确定出合适的工作功耗模式，从而使系统功耗降低。 目前i m e l 公司和m i c r o s o n 公司制定的高级电源管理规范a d v a n c e dp o w e r m a l l a g e m e n tb i o si m e r f k es p e c i f i c a t i o n 正是基于这种思想吼 浙江大学硕士学位论文 从硬件设计的角度来说，目前主要通过使用好的电路结构，更大规模的v l s i 组件集成技术来降低电容，提供多种时钟频率，降低工作电压等措施来更好的实 现电源管理。 目前在技术上处于世界领先的著名半导体大公司纷纷加大对高性能的电源 管理集成电路设计的投入并推出新型产品。由于目前的产品尺寸越来越小，功能 却越来越复杂，很多问题的解决需要其他技术的辅助。就拿目前最活跃的手机的 电源管理i c 设计来讲，它的电源部分比较琐碎，包括功率音频放大器和充电器， 这部分主要有一系列低功率线性稳压器和放大器构成，其复杂性来自这些功能的 管理需要额外的数字区块集成，如用于串行通信的s m b u s 、用于正确功率序列 的状态机，以及可靠的板载数据转换装置，以使系统不会受到串扰噪声的干扰。 这类新型电源管理i c 的开发需要技术、i p 和c a d 工具，这超出了传统电源开 发小组的范畴，近而涉及逻辑、微控带i 器和数据转换的队伍。对电源管理功能的 额外需求可能成为进入传统构件式电源公司的阻碍，同时成本竞争力也会成为新 兴的f a b l e s si c 设计公司必须解决的一个问题。 因此，很多大公司寻求技术合作以解决该问题，美国国家半导体公司 ( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 与嵌入式微处理器技术供应商删公司在2 0 0 3 年达成 一项策略性合作协议，共同开发可大幅度延长便携式设备电池寿命的高效率电源 管理系统。n s c 在电源管理技术市场上居于领先地位，它的p o w e r 、聃s e 技术是 一个涵盖范围广泛，包括嵌入式自适应电源控制器、低功率高速接口及高效率模 拟集成电路等。而a r m 是嵌入式处理器领域的巨擎，其低功率的m s c 处理器 技术在便携式设备领域已得到广泛使用。它的智能能源管理程序( i n t e l l i g e n t e n e 唱y m a n a g e r ) 用先进的算法使处理器可以利用最少的能源执行最多的工作，且 又确保系统能够作出最快的反应。n s c 与删采用各自的优点，顾及整个系统 的动态供电，以智能型电源管理芯片1 6 l 管理嵌入式系统的性能及功耗，其首期产 品可将能源使用效率提高2 5 7 5 。n s c 及a r m 还将会与第三厂商合作， 将系统芯片与外部电源管理芯片之间的高速、低功率p o w e r w i s e 接口加以标准 化，建立业内开放式标准。 近年来世界半导体的销售额呈明显上升态势，电源管理i c 更是其中的主力。 据估计2 0 0 6 年的全球手机销量将会达到5 2 5 亿只。到2 0 0 7 年，全球电源管理 浙江大学硕士学位论文 半导体销售额将达2 3 3 亿美元。市场的扩大刺激了技术的进一步竞争和创新。 ( 1 ) ，随着便携式电子产品的功能日益增多，高度集成化，但是由于供电单元 的局限性，如何提高电池使用效率成为业界关注的焦点。尤其在手机、手提电脑、 数码相机等行业。 ( 2 ) ，由于电源越来越呈分布式发展的趋势，这就需要提供各种不同的电压， 以满足接近全负载的电压要求。有一些应用场合甚至要求芯片工作在几十伏或上 百伏的高压下。另外，更加精确的电压控制也将有助于电池的有效利用。 ( 3 ) ，随着制造工艺的不断进步，电源管理控制芯片也向着超低电压，超低 功耗，超小面积方向发展，以满足特殊用途，如医学上的窥镜机器人、心脏起搏 器等 ( 4 ) ，在研究低电压的同时，人们也正在努力在硅片上实现耐高压的电源管 理i c 。比如目前美国国家半导体( n s c ) 已经运用其先进的a b c d l 5 0 h v 工艺推 出业内首款1 0 0 v 降压偏置稳压器，功率转换效率高达9 0 。还有l m 5 0 0 0 系列 芯片，将所有必要的逻辑电路、稳压功能、高精度模拟电路、驱动器以及开关电 源集成在同一个管芯里，并采用散热能力较高的表面贴装l l p 封装。 ( 5 ) ，从电源市场的发展来看，较高的功率密度、集成度、以及更好的降低 噪声是下一代电源的趋势，而这一趋势也使得电源管理技术将面临更多的挑战： 怎样从锂离子电池输入获得更多个电压轨；怎样处理小电路板面积的散热，并具 有更长的电池使用寿命；怎样在紧凑型设计中实现噪声和输入纹波的最小化，以 及怎样使产品可利用多种电源来实现其运作和电池充电，这些都是电源厂商和电 源管理i c 设计者们必须面对的问题! ( 6 ) ，将硬件的集成电源管理i c 芯片与软件，尤其是与嵌入式系统的结合来 对整个系统进行动态的电源管理实现系统的低功耗，也是一个发展趋势。微控制 器及d s p 进入d c d c 也是技术发展的必由之路【7 】口 根据近年来的全球半导体市场的演变，我们可以发现亚洲市场的上升十分迅 速，现在已居世界第一位。一般来说，大陆和台湾的市场至少占亚洲市场的2 3 。 所以这几年，国外的半导体业的巨头纷纷在中国大陆投资建厂、建立i c 研发中 心，还和企业合作、与一些著名大学成立联合实验室，这一切都将迅速推动中国 的半导体工业的发展，所以海峡两岸的半导体市场很快会在全球领先。而电源管 浙江大学硕士学位论文 理半导体也是一样，它不仅在整个半导体的市场中的份额还在逐步提高，在世界 市场中的份额更是在进一步提高。因此中国的电源管理l c ，正面临着更大的机 遇和更熏的担子。 1 4 电源管理l c 对集成电路制造的新要求 由于电源管理i c 芯片的功能越来越复杂，有些要求能输出较大的电流和功 率，有些希望用于几十伏的高压场合，还有一些包含组合逻辑甚至时序逻辑控制 功能，这种把模拟电路和数字电路、高压功率电路与低压的逻辑电路同时做在一 颗芯片上的设计，给传统的集成电路设计和制造工艺带来极大的挑战。 有很大一部分的电源管理i c 芯片用在较大输出功率的应用场合，它们在正 常工作时，常常伴随着大电流、较高电压和高温环境。随着目前集成电路制造的 主流工艺特征线宽不断变小，集成度不断增大，芯片散热等问题日益严重。设计 时还应仔细考虑底层的物理设计，如版图寄生参数引起的信号串扰、大电流和热 梯度等因素。 目前先进的集成电路制造工艺已经在努力把双极型器件和c m o s 器件集成 在同一硅片上，以结合了两种工之的优点，提高了电路的电流驱动能力，又有利 于增加集成度，降低芯片成本。为满足一些高压的特殊应用场合，人们还研究了 高压工艺。电源管理i c 芯片的功能越来越多样，所用器件的结构越来越复杂， 而且趋向于高压的应用场合。很多电源管理i c 芯片的实现越发依赖于生产工艺。 因此，对于要实现更高性能的电源管理i c 设计者来讲，研究工艺在设计中 的应用就显得越发重要。本论文正是基于这一点而展开讨论的，希望本文内容能 给电源管理i c 设计者提供一些有益参考。 浙江大学硕士学位论文 第二章b c d 工艺技术 自8 0 年代以来，c m o s 因其工艺简单、器件集成度高和功耗低的突出特点己 成为v l s i 的主导技术。然而，随着9 0 年代u l s i 时代的到来，单一的c m 0 s 技术 己无法满足日益复杂的集成系统多方面的要求，现代微电子系统希望最终实现对 信息接收、存储、传输、加工以及执行诸功能的全方位集成。但是，因功耗大和 集成度低而在u l s i 中缺乏竞争力的双极型技术，在超高速和大电流驱动( 如电 源管理类芯片的设计) 等场合中仍具有不可替代的作用，从而追切要求发展一种 能兼容双极型与m o s 器件各自特点的工艺技术和新结构器件的设计技术，这就 是本章将要叙述的b c d ( b i p o l a r c m o s 。d m o s ) 工艺技术。 本章首先介绍b c d 技术的发展由来，接着讨论了b c d 工艺的分类以及各自 的特点，然后重点介绍在b c d 工艺中一些在电源管理i c 设计中使用到的特殊器 件的结构原理与实现、人们在这些方面的研究和努力，最后简要叙述该工艺的发 展趋势。 2 1b c d 技术的由来 采用独立工艺分别制备性能优良的双极、m 0 s 器件和其它阻容元件，然后再 利用互联和封装达到系统集成，是实现兼容技术的有效途径之一。通常，这种混 合集成或二次集成能够最大程度地发挥c m o s 与双极电路的各自优点，但由于外 部互连工艺复杂且能力有限，限制了系统集成水平的提高，而且还降低了系统的 工作速度与可靠性。这样，采用c m 0 s 与双极内部集成兼容技术，即b i c m o s 技 术就显得更为重要。实际上，早在1 9 6 9 年，就有人提出了b i c m 0 s 的基本设想， 之后的1 9 7 3 年，由r c a 公司研制成功了第一个b i c m o s 放大器，但直到进入8 0 年 代，各类b i c m o s 电路才获得了广泛的应用，并进一步推动了v l s i 集成技术的向 前发展吼 与c m o s 和双极型技术相比，b i c m 0 s 工艺较为复杂，设计和制备成本最高， 这些都不利于b i c m 0 s 的自身发展，这使b i c m 0 s 在发展的初期阶段处于不利的 竞争地位。但从发展的眼光看，由于电子系统功能扩展与性能改善的迫切要求， 必然导致c m o s 为更先进的b i c m 0 s 技术所取代，具有高集成、低功耗、高灵敏 浙江大学硕士学位论文 和超高速特点的多种工艺兼容技术已经成为v l s i 的主流技术。 从历史上看，半导体工艺经历了由简单到复杂的发展过程。以m o s 工艺为例， 由简单的n m o s 到单阱及双阱c m o s 和具有s 0 i 结构的c m o s ，其复杂程度的增加 通常可以表现为所用光刻掩横版的数量的不断增加。 ( 1 ) ，n m o s 因工艺简单和器件性能优良，在七十年代中得到迅速发展，并占 主导地位，但随着集成度的提高，功耗问题曰益突出越来越无法满足超大规模 集成系统的需要。 ( 2 ) ，c m o s 工艺上比n m o s 复杂，在器件性能上也不如i 止讧o s ，但由于c m o s 的功耗很低，它顺应了v l s i 的发展，代替高功耗和低集成度的n m o s 成为必然。 ( 3 ) ，进入u l s i 阶段后半导体工艺技术开始发生深刻变化。一方面，在工 艺相对复杂的双极器件中，为了进一步提高亚微米器件及电路的性能与可靠性， 广泛采用了薄膜外延、深槽隔离、双多晶硅自对准与多层金属互连等先进技术， 工艺复杂性达到相当高的程度。同时，为了提高集成度、改善小尺寸c m o s 器件 性能并减小寄生效应，也导致工艺复杂性的提高。 ( 4 ) ，为了适应一些较大功率的应用场合，将大功率器件实现单片集成化也是 必然趋势。功率器件的种类可分为b j t 基和d m o s 基两大类。b j t 基包括晶闸管 ( s c r ) 。另一些诸如i g b t 的器件可看作是两个基本类的结合。对于单片功率集成 来说，常常是多种器件共同集成在一起，最常用的技术是b c d 工艺，实现可承受 大电流，耐高压的d m o s 器件。目前，电流、电压分别小于1 0a 、7 0 0v 的智能 功率器件，电路采用单片集成的产品越来越多。这使功率电路块的体积变得更小、 性能和可靠性更高、应用的范围更广，使用也越来越方便。一种典型的b c d 工艺 实例如图2 1 所示： 图2 1 一种b c d 工艺实例 上事实表明，目前的工艺水平已达到将双极、c m o s 与d m o s 集成在同一芯 片的阶段；其次，即使实现了它们的兼容，与单一的双极或c m 0 s 在工艺复杂程 浙江大学硕士学位论文 度上的差异也不十分显著，并完全可为性能上的改善所弥补。因此，有理由相信， b c d 工艺将完善现有的c m o s 工艺，正如同c m 0 s 工艺改善了n m 0 s 工艺一样。 从目前的发展来看：制约b c d 发展的工艺限制因素已基本消失，但工艺上的 优化与结构上的最佳设计依然是一个主要问题。虽然目前已有能力制备最为复杂 的含p n p 的双极互补结构c b c d 电路，但工艺难度小、成本低并适台于c m o s 工 艺的兼容结构并没有真正解决。b c d 兼容技术领域内尚有大量的工作要做。因而， 国内外科研工作者正在竞相深入开展该领域的研究工作。 2 2b c d 工艺的分类 b c d 工艺又称b c d m o s 工艺，这是一种将双极、c m 0 s 和d m o s 晶体管集成 在同一硅衬底的工艺，可分为： ( 1 ) ，以双极工艺为主的b c d m o s 工艺( 采用有埋层的外延隔离方式) ： ( 2 ) 以c m o s 工艺为主的b c d m o s ( 通过扩散阱作为纵向双极晶体管集电区) 。 这两种技术各有特点。通常，基予c m o s 的b c d m o s 比较适合于有较大m o s 逻辑需求和较低电压的应用( 如大于1 0 0 0 门电路和小于1 2v 电压) ，一般来说，这 种工艺技术最高电压大约为2 0v ；而基于双极工艺技术的b c d m o s 比较适合较 高电压和较高速度及中等控制逻辑需求( 如电压大于2 0v 、逻辑门电路小于2 0 0 个1 的电路。不过目前，基于m o s 工艺发展的b c d 最高工作电压并不只限于2 0 v 。 另外，根据高压d m o s 器件与其他低压器件的隔离方式来看，b c d 高压工艺 又可分为：p n 结隔离( 如双极工艺) ；自隔离( 如m o s 工艺) ；氧化层介质隔离 ( 如s 0 i 工艺) ；准介质隔离。其中结隔离和自隔离技术最为常用。 ( 1 ) ，结隔离( j u n c t i o ni s o l a t i o n ，j i ) 技术是将器件做在p 一衬底的n 一外延层上， 器件间靠反偏的穿通外延层的p + 深结扩散实现隔离。在硅岛四周形成反偏p n 结， 起隔离作用。结隔离的主要缺点是，当垂直b j t 器件需要承受高压时，外延层必 须做得很厚，这就要求j i 扩散很深，而且表面横向扩散也很宽f 约数十微米1 。这 就要求厚外延，且增大了高压器件的面积，集成度较低。另外随着温度的上升， 反向p n 结泄漏电流迅速增大。p n 结隔离技术是费用相对较低的方法，还是被广 泛使用在低密度的场合。 ( 2 ) ，自隔离( s e l f _ i s o l a t i o n 。s i ) 技术【9 】也称为r e s u r f 隔离技术。自隔离在 浙江大学硕士学位论文 本质上也是一种p n 结隔离，它主要是利用m o s 器件的自隔离特性。当它导通时， 其源区、漏区和沟道区都被耗尽区所包围，与衬底之间形成隔离。当其截止时， 漏区和衬底之间的p n 结处于反偏状态，漏区上高压被耗尽区隔离。自隔离技术 工艺简单，兼容性好，集成度高，且易得到高的耐压，可以用于集成多个输出功 率m o s 。但这种自隔离高压结构的比导通电阻高，占用的面积大，并且高压器 件必须采用共源连接，无法集成桥式或推挽式功率集成电路。在高温下自隔离结 构的漏电流增大，使同一芯片上元件之间的绝缘程度降低，易产生闩锁效应。由 于该技术是利用高压横向器件本身的耐压区满足r e s u i u ，条件，来实现高压器件 与低压器件的隔离，这种器件需要设计成环状漏极或集电区，即漏区完全被环状 栅和源所包围。这种隔离技术结构工艺简单，不需专门的隔离区域、隔离工艺和 深结扩散。 ( 3 ) ，介质隔离( d i e l e c t r i ci s o l a t i o n ，d i ) 技术是利用s i 0 2 等绝缘介质将集成 电路中的控制电路与功率元件隔开。其结构如图2 2 所示： p o l y s i l i c o n 图2 - 2 介质隔离的基本结构剖面图 图2 2 中左侧的介质“盆”内部为高压v d m o s ，通过在氧化层内表面重掺杂 将漏极连接到表面。右侧的介质“盆”内为低压c m o s 控制电路。电路与高压器 件被完全隔离，只通过导线实现电路上的连接，电路具有较强的抗干扰能力。由 于氧化层的相对介电常数较低，临晃电场值远大于硅材料，所以耐压较大，介质 隔离的隔离电压可高达1 0 0 0 v ，绝缘性好，可以忽略高温下的泄漏电流，且不会 存在p n i ) n 结构，无闩锁效应。介质隔离具有占用面积小，封装密度高的特点。 它的主要缺点是，其背部作为支撑的多晶硅的热导率和s i 0 2 热导率都比硅 低，降低了芯片散热能力，也就限制了功率容量。另外，介质隔离工艺需要在氧 化层形成的“盆”内的硅上制作器件，需要采用键合方式来形成器件有源层，所 浙江大学硕士学位论文 以结构复杂、成本高。但相对而言，介质隔离仍是现存工艺中隔离性能最好的方 法之一。市售高压集成电路采用氧化层隔离方法的产品还很少，它一般常用于通 信领域等对成本要求不高的领域。 ( 4 ) ，准介质隔离( q a u s i d i e l 咖i ci s o l a t i o n ，q d i ) 技术f i o 】结合了结隔离和 介质隔离的优点，而且用该技术很容易同时实现低压和高压器件。在准介质隔离 工艺中，可用选择性外延生长( s e l e c t i v ee p i t a x i a lg r o w c l l ，s e g ) 在s i 0 2 槽内生 长单晶。图2 3 给出了q d i 工艺的低压和高压大功率器件的结构。对于控制电路和 功率器件区域，采用不同厚度的电阻率的外延层，以减小低压控制电路和高压器 件的相互影响。通过控制槽的深度和s e g 单晶硅的电阻率，可以优化功率器件的 击穿电压和集电极电阻等参数。q d i 工艺与d i 工艺相似，器件的集成度高，芯片 面积小，而且q d i 工艺不需要复杂的预处理。由于在q d i 工艺中，器件通过籽晶 窗口赢接连到单晶硅上，所以q d i 工艺器件岛的热阻较小。由于用于外延横向过 生长的籽晶窗口可以变化，所有可以使衬底的热耗散达到最佳。双极型器件采用 离子注入埋层集电极，以减小集电极的电阻。 任薤坤n大功率q 弧时l 图2 - 3q d i 工艺的低压和大功率器件 2 3 双极型工艺技术 2 3 1 双极工艺流程 b c d 工艺中的双极器件通常是以c m o s 工艺为主，添加几层掩膜工序而形成 的。比如：以外延双阱c m o s 工艺为基础，在n 阱内增加了n + 埋层和与集电极接 触深n + 注入，以减少双极器件集电极串联电阻( 可降至几十欧左右) ，降低饱和 管压降以及增强c m o s 的抗闩锁性能( 提高l a t c h u p 触发电压) ；用p + 型注入制作 基区并用作隔离：采用多晶硅发射极形式，与c m o s 器件的栅区掺杂形式一致， 浙江大学硕士学位论文 形成多晶硅双极型晶体管。在工序安排上将双极器件基区与p m o s 管的漏源区同 时形成，发射区则与n m o s 管漏源区同时制成。因此该高速b i c m o s 制各工艺原 则上不需要增加其它重要的工序( 仅比标准c m o s 工艺多4 个掩膜，即n + 掩埋层、 外延、深n + 接触区和本征基区) 。以l d d ( l i g h t l yd o p e dd r a i n ) 、m o s 双阱和两 层金属结构工艺为例，它的双极器件与其中的c m o s 器件、b i c m o s 或者b c d 工 艺大致流程的对应比较如表2 1 所示： 表2 1 双极工艺与c m o s 、b i c m o s 工艺流程比较 双极b i c m o sc m o s 埋层 埋层 外延外延 阱阱 隔离 隔离隔离 场闽电压调整场闻电压调整场阈电压调整 深槽集电极接触n + 接触深槽集电极接触n + 接触 有源区调整有源区调整 栅极二氧化硅栅极二氧化硅 电阻l d d 结构 l d d 结构 本征基区注入 本征基区注入 非本征基区注入p + 源极，漏极p + 源极漏极 发射极 n + 源极漏极n + 源极，漏极 介质、接触介质、接触介质、接触 金属1金属1 金属1 过孔过孔 过孔 金属2金属2金属2 钝化、封装 钝化、封装钝化、封装 2 3 2 双极工艺主要特点： 一种典型的纵向n p n 的结构如图2 4 所示。为了增加b 、c 极的击穿电压而降 低了n 型外延层的掺杂浓度。因此必须增加一个高浓度掺杂的n + 掩埋层，以减小 c 极的串联电阻。这增加了工艺复杂度，也引入了寄生参数。 这种器件由于结构本身而存在一些不足： ( 1 ) ，因为各接触孔金属铝与铝之间需要有一定的间隔，p + n 结隔离的间隔 以及e b 间非自对准的问隔，使得晶体管的面积较大。 ( 2 ) ，由于采用p + n 结隔离并采用n + 埋层以减小集电极电阻，使集电极对 衬底的电容很大；因集电极与基极之间没有隔离，虽然有n + 埋层存在，仍存在 浙江大学硕士学位论文 集电极电流的横向效应，而且这种效应随b - c 间距的减小而增加，严重影响了 双极器件的直流特性。 ( 3 ) ，因为e b 间非自对准，致使有源基区和边缘面积大，所以c b c 较大， 高频时的密勒效应严重。 ( 4 ) ，由于铝与n + 发射区要形成欧姆接触，铝与n + 区须形成合金，而合金 后铝、s i 的相互侵蚀以及铝的电迁移现象都使发射极不易形成浅结，从而影响纵 向尺寸的缩小，且铝与n + 区的合金会形成一些缺陷，使发射极注入效率下降。 p 璺静底 图2 _ 4 典型的纵向n p n 的结构 但是与m o s 管相比，双极晶体管以其高跨导、强驱动的显著优点，仍然得 到广泛应用。根本原因在于器件工作机制上的本质区别。电压控制型的m o s 器 件，在信号放大作用上，其饱和区跨导为： g 。( ) = ( 一) ( 2 1 ) 相反，对于电流控制型的双极器件，跨导可表示为： 岛旧= g 尼“灯) = ( g 灯) 厶e x p ( 孽圪。七r ) ( 2 2 ) 由于m o s 器件跨导与有效栅压( 一) 呈线性关系，而且对沟道宽长比和栅 电容