BJT DMOS BiCMOS BCD半導體制程技術簡介

印寧華|Indining China|

2025-02-25 16:57:59 549

隨著半導體制程制程不斷突破，業界流傳著一個被稱為「摩爾定律」的*論點。它是英特爾創始人之一戈登·摩爾在1965年提出的，其核心內容為：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。這項定律不僅是對產業發展趨勢的一種分析預測，同時也成了半導體制程發展的動力——一切都是為了做出更小尺寸且性能穩定的電晶體。從五十年代至今約70年的時間，總共發展了BJT、MOSFET 、CMOS、DMOS以及混合型的BiCMOS和BCD 等制程制程技術。

1. BJT

雙極性結型電晶體（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管。電晶體中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動，由于同時涉及電子和電洞兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性元件。

回溯它所誕生的歷史。由于存在著用固體放大器代替真空三極管這一想法，1945年夏，Shockley 提出開展半導體基礎研究的建議，1945年下半年，貝爾實驗室成立了以Shockley為組長的固體物理學研究小組。在這小組里，不僅有物理學家，也有電路工程師和化學家，包括作為理論物理學家的Bardeen和實驗物理學家B rattain。 1947年12月，一件被后世認為是里程碑式的事件璀璨地發生了－Bardeen和Brattain成功發明了*上*個具有電流放大作用的鍺點接觸晶體管。

Bardeen和Brattain的*個點接觸式電晶體

而在此后不久，Shockley于1948年發明了雙極接面電晶體。他提出了電晶體可以由兩個pn結構成，一個正向偏壓、另一個反向偏置，并在1948年6月取得了專利。在1949年他把結型電晶體工作的詳細理論發表了出來。兩年多后貝爾實驗室的科學家和工程師開發出流程來實現結型電晶體的量產（1951里程碑），開啟了電子技術的新紀元。而為了表彰在電晶體發明上的貢獻，蕭克利、巴丁和布拉頓共同獲得了1956 年諾貝爾物理學獎。

關于雙極接面電晶體的結構，常見的BJT有NPN型和PNP型。

BJT 結構示意圖及符號

詳細內部結構如下圖所示。射極對應的雜質半導體區域為發射區，該區域摻雜濃度較高；基極對應的雜質半導體區域為基區，該區域寬度很薄，摻雜濃度很低；集電極對應的雜質半導體區域為集電區，此區域面積大，摻雜濃度很低。

BJT 結構剖面圖

BJT技術的優點是高反應速度、高跨導(輸入電壓變化對應輸出電流變化大)、低雜訊、高類比精度、強電流驅動能力；缺點是整合度低(縱向深度無法隨橫向尺寸縮小) 、功耗高。

2. MOS

金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor FET)，即通過給金屬層(M-金屬鋁)的柵極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)的源極施加電壓，產生電場的效應來控制半導體(S)導電通道開關的場效電晶體。由于柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，因此MOSFET又稱為絕緣柵型場效應管。 1962年由貝爾實驗室正式宣布成功開發，成為半導體發展史上最重要的里程碑之一，為半導體記憶體的問世直接奠定了技術基礎。

MOSFET依導電通道類型可分為P通道和N通道。依柵極電壓振幅可分為：

耗盡型MOS-當閘極電壓為零時漏源極之間就存在導電通道；

增強型MOS-對于N(P)通道元件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導電通道，功率MOSFET主要是N通道增強型。

MOS 結構示意圖及符號

MOS與三極管的主要區別包括但不限于以下幾點：

三極管多子和少子同時參與導電，屬于雙極型元件；而MOS僅靠半導體中的多數載子導電，又稱為單極型電晶體。
三極管屬于電流控制型元件，功耗比較高；而MOSFET屬于電壓控制型元件，功耗較小。
三極管導通電阻大，MOS管導通電阻小，只有幾百毫歐姆。在現在的用電器件上，通常會用MOS管做開關來用，主要是因為相對于三極體MOS的效率是比較高的。
成本上三極管就比較占優勢，mos管相對價格較高。

現在大部分場景下都是用MOS管取代三極管了，只有在一些小功率或對功耗不敏感的場景下，考慮到價格優勢我們才會使用三極管。

3. CMOS

互補型金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor）：CMOS技術采用了互補的p型和n型金屬氧化物半導體電晶體（MOSFET）來建構電子元件和邏輯電路。

下圖所示為常見的CMOS反相器，用于「1→0」或「0→1」的轉換，典型電路圖如下。

CMOS電路圖

典型的CMOS剖面結構圖如下，左邊是NMOS，右邊是PMOS，兩個MOS的G極連在一起為共連柵極輸入，D極連在一起為共連漏極輸出。 VDD接PMOS的源極，VSS接NMOS的源極。

CMOS 結構剖面圖

1963年，仙童半導體公司的Wanlass和Sah發明了CMOS電路。 1968年，美國無線電公司（RCA）研發出*個CMOS積體電路產品，此后CMOS電路獲得了巨大的發展。它的優點是功耗低、高整合度(STI/LOCOS制程可進一步提升整合度)；缺點是存在鎖定效應(MOS管間采用PN結反偏作為隔離，受干擾易形成增強回路燒毀電路)。

CMOS工藝目前已經發展到3nm的時代，目前基本上主要是數字電路在追求工藝節點。針對模擬電路為主或者數模混合電路居多的芯片，當前芯片主要分布在180nm到28nm之間。主要工藝節點有 180nm，130nm，110nm，90nm，65nm，55nm，40nm和28nm等。如果電路中沒有超高速轉換器或者高速接口電路，基本CMOS工藝節點在90nm及以上比較多，65nm及以下節點則更加適用于高速轉換器，高速接口的電路中。CMOS電路被用在射頻應用時候，一般很難突破6GHz頻率，超過6GHz之后，噪聲和線性會快速下降。

更高的工藝節點有利于數字電路速度提高并且有效降低尺寸，但是也會帶來漏電流會變大，投片費用也較高。較低的工藝節點會限制運行速度，尺寸上也會比較大，但是漏電流更小，投片費用也更低。針對模擬電路，特別是數模混合電路而言，選擇合適的工業節點是至關重要的。

4. DMOS、VDMOS和LDMOS

DMOS 器件是指 Double-diffused Metal Oxide Semiconductor（雙擴散金屬氧化物半導體）器件，也被稱為 VMOS（Vertical Metal Oxide Semiconductor）器件。DMOS 器件是一種用于功率放大和開關的半導體器件。

DMOS 器件的主要特點是具有低導通電阻、高電壓承受能力、高速開關能力和高溫性能等。由于這些特點，DMOS 器件廣泛應用于功率放大、開關和 DC-DC 轉換器等領域。

DMOS 件的結構類似于 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），但是在 DMOS 件中，擴散區域比 MOSFET 更深，從而可以承受更高的電壓。此外，DMOS 器件中的溝道是沿垂直方向延伸的，從而可以實現更高的電流密度和更低的導通電阻。

下圖展示了標準N溝道的DMOS的剖面圖，這種類型的DMOS元件通常用于開關應用，其中MOSFET的源極連接到接地。此外還有P溝道的DMOS，這種類型的DMOS元件通常用于高側開關應用，其中MOSFET的源極連接到正電壓。類似CMOS，互補DMOS元件在同一晶片上使用N通道和P通道MOSFET來提供互補的開關功能。

根據通道的方向，DMOS可以分為兩種類型，即垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應管VDMOS（Vertical Double-Diffused MOSFET）和橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET ）。

VDMOS元件設計有垂直通道，與橫向DMOS元件相比它具有更高的擊穿電壓和電流處理能力，但是導通電阻仍然比較大。

LDMOS元件設計有橫向通道，是非對稱功率MOSFET元件。與垂直DMOS元件相比，它允許更低的導通電阻和更快的開關速度。

DMOS 器件主要作用是在高功率電路中提供電流控制和開關控制功能。由于 DMOS 器件具有低導通電阻、高電壓承受能力、高速開關能力和高溫性能等優點，因此被廣泛應用于各種功率電子應用中，如電源管理、電機驅動、照明控制、汽車電子、工業控制等。

在電源管理中，DMOS 通常用于 DC-DC 轉換器、電源逆變器、電源管理單元等電路中，以實現高效率、高穩定性和高可靠性。
在電機驅動中，DMOS 通常用于馬達控制器、電機驅動器等電路中，以實現高精度、高效率和高可靠性的馬達控制。
在照明控制中，DMOS 還可以用于 LED 驅動器、照明調光器等電路中，以實現高效率、高亮度和高可靠性的照明控制。
在汽車電子和工業控制中，DMOS 通常用于電池管理、電力控制、電源變換、電機驅動、照明控制等電路中，以實現高穩定性、高安全性和高可靠性的控制功能。

不難發現，DMOS 器件的作用是在高功率電路中實現電流控制和開關控制功能，以提高電路的效率、穩定性和可靠性。

5. BiCMOS

BiMOS就是CMOS和BiPOLAR的混合，就是在CMOS的基礎上生長BiPOLAR，由于BiPOLAR可以做到非常低的漏電電流和噪聲，針對數模混合電路，特別是低噪聲或者低偏移的數模混合電路使用BiCMOS即可以發揮CMOS的功耗的優勢，又可以兼顧模擬高性能特性。

把雙極型晶體管（BJT）和CMOS器件同時集成在同一塊芯片上的新型的工藝技術，它集中了上述單、雙極型器件的優點，兩者“交叉”結合，取長補短，調和折衷，為發展我國高速、高性能的各種通信、信息處理和網絡電路、通信用模擬/數字混合微電子電路和數字通信用超大規模集成電路（數字通信VLSI）開辟了一條嶄新的道路。

CMOS工藝和BiPolar工藝是兩種主要的硅集成電路工藝，它們有各自的優點。CMOS器件有集成度高、功耗低、輸入阻抗高等優點。BiPolar器件有截止頻率高、驅動能力大、速度快、噪聲低等優點。它們的優缺點正好互相補充，將它們集成同一芯片上形成BiCMOS工藝，制得的器件性能定將超出單一工藝。

形成BiCMOS工藝的方案現有很多，大致可歸納為兩大類：一類是以CMOS工藝為基礎，另一類是以Bipolar工藝為基礎。采用原有的2um N阱CMOS工藝基礎上選用雙埋層、雙阱、外延結構來形成BiCMOS工藝。

BiCMOS，BiCMOS=Bipolar+CMOS，一般有兩種類型的BiCMOS，一種是以Bipolar工藝為基礎，將CMOS加入到Bipolar工藝中，這種BICMOS工藝的器件特性以Bipolar器件為主，CMOS器件為輔，CMOS器件特性并不是最佳，Bipolar器件特性可以達到很好的程度；另一種以CMOS器件為主，Bipolar器件為輔，CMOS器件特性可以達到比較好的程度，Bipolar特性一般，簡單的甚至直接只是加一個Base區域，Bipolar器件只是起到最基本的作用，比如做badgap用，提供一個參考電壓。兩種BICMOS工藝不論側重點如何，只要滿足設計的需求即可，在這個客戶導向的時代，只要你能給代工廠足夠的訂單，代工廠就能拿出足夠誠意來滿足客戶的各種需求。

下圖是一個BiCMOS的反相器原理圖，輸出端口使用了BJT的對管，主要邏輯部分都是MOS管。

BiCMOS 反相器原理圖

BiCMOS 結構剖面圖

BiCMOS可在單顆芯片上融合兩種不同工藝技術的優勢：雙極晶體管可達到較高的速度和增益，滿足高頻模擬部分的要求，而CMOS技術則非常適合構成簡單的低功耗門邏輯電路。意法半導體的BiCMOS SiGe（硅鍺）技術將射頻、模擬和數字部分集成在單顆芯片上，能夠大幅減少外部元器件的數量，同時優化功耗。

6. BCD

Bipolar-CMOS-DMOS, 這種技術能夠在同一晶片上制作雙極管Bipolar，CMOS和DMOS元件，稱為BCD工藝，1986年由意法半導體（ST）率先開發成功。

Bipolar適用于精密的模擬電路，CMOS適用于大規模數字邏輯電路，DMOS適用于功率和高壓元件。 BCD則結合了三者的優點。

BCD工藝廣泛使用在的電源，電池檢測，LED驅動等高壓電路中。目前BCD工藝主要工藝節點有0.25um，0.18um，130nm，90nm和55nm。耐壓等級根據應用不同，最低為5V, 其次是12V, 40V, 60V, 80V, 120V，最高達到6KV等。BCD除了不斷提高工藝的制程和耐壓等級之外，通過結構改善如DTI (Deep Trend Insolate) 降低尺寸，也通過SOI工藝提高隔離等級降低尺寸。

ST公司是BCD工藝的發明者，從ST官網數據可以看出，ST的BCD工藝已經發展到90nm（100V），最高耐壓到6KV，發展到第9代，工藝涉及到SOI和DTI等。其他廠商如TI的BCD工藝已經支撐110nm（85v）耐壓，采用DTI實現。NXP主要基于SOI的BCD工藝上開發汽車電源類和音頻功放等產品。晶圓代工廠中，TSMC，TOWER, Global Foundries, SMIC和華虹都有開發BCD工藝。

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