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模拟芯片常用的BCD工艺国内外差距有多大?

在<电子发烧友>9月20日举行的“浣沙淘金,模拟论芯”2019年中国模拟半导体大会上,帝奥微电子产品事业部总监庄华龙分享了主题为《智能互联的差异化解决方案》的演讲。在演讲中,他指出,模拟芯片设计的根基在于工艺。在集成电路领域,常常需要用到各种各样的工艺和器件配合,想要做出好的产品,就需要选择最合适的工艺平台和器件。

图1:帝奥微电子产品事业部总监庄华龙在发表演讲。

目前最重要,应用也最广泛的模拟工艺技术非BCD工艺莫属。它是一种单芯片集成工艺技术,1986年由意法半导体ST)公司率先研制成功。

BCD工艺的特点是将硅平面工艺用到功率集成上,是一种可以将双极、CMOS和DMOS器件同时集成到单芯片上的技术。在功率应用领域,与传统的双极功率工艺相比,BCD工艺具有显著的优势,最基本的优势就是使得电路设计者可以在高精度模拟的双极器件,高集成度的CMOS器件和作为功率输出级的DMOS器件之间自由选择。由于DMOS具有高效率(低损耗)、高强度(无二次击穿)、耐高压和固有的源漏二极管的存在(作用类似续流二极管)和高速的开关特性,因此,DMOS特别适合作为功率开关器件,而且其制造工艺可以和硅栅CMOS制造工艺兼容,从而有利于功率集成。整合好的BCD工艺可大幅降低功耗,提高系统性能,增加可靠性和降低成本。

经过三十多年的发展,BCD工艺技术已经取得了很大进步,从第一代的4微米BCD工艺发展到了第六代的0.13微米BCD工艺,线宽尺寸不断减小的同时,也采用了更加先进的多层金属布线系统,使得BCD工艺与纯CMOS工艺发展差距缩小;另一方面,BCD工艺想着标准化模块化发展,其基本工序标准化,混合工艺则由这些基本工序组合而成,设计人员可以根据各自的需要增减相应的工艺步骤。目前的BCD工艺中的CMOS与纯CMOS可完全兼容。

总的来说,今后的BCD工艺主要向着高压、高功率和高密度三个方向发展,同时提高与CMOS工艺的工艺兼容性。在庄华龙看来,目前BCD工艺技术水平最好的基本都是欧美公司,而且主要以设计、工艺制造为一体的IDM模式为主,其次为日本、韩国,中国台湾和大陆的代工企业。

主要的厂商包括:

美国:德州仪器TI)、亚德诺半导体(ADI)、安森美(ON Semi+Fairchild)等;
欧洲:意法半导体(ST)、恩智浦(NXP)等;
日本:东芝等;
韩国:东部高科(DBH)和海力士等;
中国台湾:台积电(TSMC)、联华电子(UMC)等;
中国大陆:中芯国际(SMIC)、华润上华(CSMC)、和舰(HJTC)、华虹宏力(HHNEC),以及积塔半导体等。

图2:全球各地区的BCD工艺发展趋势图。

庄华龙指出,在非IDM的晶圆代工企业中,中国台湾的台积电和东部高科属于BCD工艺的第一梯队领跑者,他们与欧美IDM企业之间的差距已经很小,甚至在某些方面更加优秀;而中国大陆的BCD工艺技术与他们仍然有着一代工艺(3~5年)的差距。

就目前来说,市场上对模拟器件的要求越来越高,主要有以下几个方面:
首先是低功耗,设备的续航能力与模拟器件的功耗直接相关,因此我们需要更低功耗的模拟器件;
二是高速,随着数据传输量的增加,需要模拟器件支持更高的带宽,来切换各种功能;
三是高集成度,功能的增加就意味着器件数量的增加,或单器件的面积增加,要保持现有设备的体积不变甚至更小,需要器件的集成度越来越高;
四是核心部件开拓,我们需要研发性能指标更高,更核心器件来提高国产器件的国际竞争力。

最后,庄华龙还介绍说,帝奥微电子是一家模拟和混合信号集成电路设计公司,目前有电源管理、信号链和ACDC照明三条产品线。

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