一種BCD工藝平臺的設計

電子科技大學成都學院 高大偉

一種BCD工藝平臺的設計

電子科技大學成都學院 高大偉

設計一種BCD工藝,主要應用于高壓電源管理芯片的設計開發,工藝最高可實現將600V高壓LDMOS器件,雙極器件和CMOS器件集成在同一硅片上,以滿足各種類型的低壓電源管理電路和高壓功率管的集成設計, 設計過程中基于一款開關電源電路,實現了工藝仿真,芯片版圖制作,工藝廠流片,器件測試驗證等各個流程,測試結果顯示,工藝平臺設計滿足要求.

BCD;電源管理芯片;工藝仿真

智能功率集成電路(Smart Power IC)是將高壓功率器件和信號的控制、保護、檢測等功能模塊集成于同一芯片的電路.目前,SPIC應用的主流是將開關電源與高頻電路結合而成的電源管理芯片.開關電源可以提高電源轉換效率,減小芯片的功耗損失,但在實現上卻面臨著工藝要求高,電路結構復雜等問題.

BCD(Bipolar/CMOS/DMOS)工藝的開發可解決電源管理芯片以上的問題.BCD工藝是兼容完成雙極型器件、CMOS器件和高壓DMOS器件于一體的單片IC制造.BCD工藝的器件庫中擁有高精度模擬特性的雙極型器件,高集成度的低壓CMOS器件以及耐壓高達數百伏的大功率DMOS器件[5].

1.BCD工藝平臺的設計

1.1 工藝線介紹

對于BCD工藝,器件庫中各種類型的器件對工藝的要求是不同的,對于CMOS器件,最小特征尺寸正在由22nm向14nm轉變中,可對于高壓功率管而言,設計的關鍵卻是如何提高單位功率密度和熱傳導能力.綜合考慮成本和可實現的工藝條件,仿真采用的各參數來源于華潤上華開放代工平臺開發的1um工藝生產線.

1.2 最優化工藝流程的實現原則

最優化工藝流程必須具備良好的兼容性,可同時滿足所有器件的設計要求,在實現過程中優先考慮功率器件的耐壓和導通特性指標,在實現了功率器件的最優化設計后,才開始考慮CMOS器件和雙極器件的仿真設計.而且在實現低壓器件的仿真過程中,要盡可能多的兼容采用已有的注入條件和光刻掩膜,保證使用最少的光刻版,達到減少工藝步驟,降低工藝成本的目的.同時在器件工藝制作過程中,要刻意控制高低溫工藝的工藝溫度和保持時間,過于復雜的高溫組合會造成工藝條件的不確定,會使仿真結果與實際流片結果出現較大差異.

1.3 掩膜版的確定

首先完成對單個器件的單獨仿真,確定單個器件所需掩膜的數量,然后對各個器件所需要的版次進行最優化整合,再在此基礎上進行各器件的工藝聯合仿真,在保證器件參數的前提下,最少化工藝步驟和掩膜版數量.1μm-BCD工藝整體采用了單層金屬布線以及兩種柵氧厚度,共使用14張掩模版,主要掩膜版介紹如下.

DNW雙阱注入被多次兼容使用,在高壓管中作為漂移區,在sensor中被用作JFET的溝道區,在LVNMOS中被用作隔離層,在LPNP中作為基區,在VNPN中被用作集電區.在不同的器件中,DNW的注入劑量雖然相同,可起的作用卻全然不同,充分體現了工藝的兼容性.

Pwell在LDMOS中應用于的降場層中,其注入結深與濃度決定了漂移區的特性,會直接控制表面擊穿特性.在LVPMOS中起到溝道區的作用,雙極型器件中則作為基區或集電區.

由于高壓LDMOS的開啟電壓遠高于低壓器件,無論怎樣調整幾何尺寸也無法同時滿足也與其他器件的兼容.所有兼容都必須以實現工藝器件性能為前提.

Nchstop被應用到了LVNMOS和VNPN中,它所起的作用是為了抑制場氧在P阱表面的吸硼吐磷效應,防止溝道區或集電區短接.

Nwell在在雙極型器件中則作為基區或集電區,在LVPMOS中作為溝道區.

1.4 工藝流程的確定

在BCD工藝中,不同的器件的應用環境有較大的差異,所以其工藝流程也呈現復雜的特點,較明顯的是中低壓器件中,因為開啟閾值電壓低,所以要應用薄柵氧,而對于高壓LDMOS與sensorFET等高壓大功率器件,厚柵氧不但可以保持合理的閾值開啟電壓范圍,更重要的是可以保護在大功率條件下工作的安全性,我們在工藝中給出的注入劑量只是參考值,在實際工藝過程中,根據器件設計的差異,在仿真中要靈活的調整注入,其后在實際測試中,通過校對,驗證得到器件的模型.

以下為1μm-BCD工藝流程的步驟:

襯底制備:晶向為<100> ,材料是Boron,電阻率為80Ω?cm;

零層光刻標記;

埋層預氧;

DNW(Mask1)涂膠、光刻、顯影,注入P,;

去膠,全部去氧;

外延制備:厚度4.5μm,材料是Boron,電阻率為65Ω?cm;

預氧清洗,注入預氧;

HVnwell(Mask2)涂膠、光刻、顯影,注入P;

高溫推結,1100℃下450分鐘,結深5.5μm;

去膠,全體去氧,預氧

Pwell(Mask3)涂膠、光刻、顯影,注入boron,;

去膠,全體去氧,預氧;

Nwell(Mask4)涂膠、光刻、顯影,注入P;

去膠,全體去氧,預氧;

Pbody(Mask5)涂膠、光刻、顯影,注入boron;

Pwell、Nwell、Pbody推結,在高溫下180分鐘,結深2.5μm;

去膠,全體去氧,預氧;

Si3N4前預氧清洗,預氧;

LPCVD Si3N4淀積;

active(Mask7翻版)涂膠、光刻、顯影,干法腐蝕Si3N4,去膠;

Nchstop(Mask8)涂膠、光刻、顯影,注入BF2;

去膠,全體去氧,高壓氧化清洗;

場氧氧化;

漂洗SiO2,煮Si3N4,預柵氧清洗;

預柵氧生長,剝離預柵氧;

厚柵氧清洗,生長厚柵氧;

Thickoxide(Mask9翻版)涂膠、光刻、顯影;

去膠,薄柵氧清洗,生長薄柵氧;

LPCVD 多晶硅淀積,多晶硅磷摻雜,清洗表面氧化層;

Poly(Mask10翻版)涂膠、光刻、顯影,腐蝕,去膠,清洗;

多晶氧化;

Nadd(Mask11)涂膠、光刻、顯影,注入P;

去膠,清洗;

Padd(Mask12)涂膠、光刻、顯影,注入boron;

去膠,清洗;

LPCVD淀積SiO2,增密;

歐姆孔Omicont(Mask13)涂膠、光刻、顯影,腐蝕,去膠,清洗;

漂洗,濺射TI,快速熱退火,濺射金屬;

金屬Metal(Mask14)涂膠、光刻、顯影,腐蝕,有機溶劑去膠,清洗;

合金前晶體管特性測試,清洗,合金;

電參數測試-1;

清洗,PE鈍化,

壓焊點Pad(Mask15)光刻、腐蝕;

2.利用BCD工藝平臺的仿真設計

設計好的工藝平臺可以提供詳細的版圖的設計規則,具體的工藝條件決定了設計規則的制定.工藝平臺的版圖設計規則會提供包括光刻版在布局布線上的各個光刻區域的最小寬度、掩模版上不同區域間的最小間距、雜質間區域互相嵌套所需的最小包圍和圖形與圖形間的最小延伸.

我們利用華潤上華工藝廠所提供的提1mm-BCD工藝生產線,結合MEDICE與Tsuprem4聯合仿真,設計了高壓LDMOS的版圖結構.

圖1 高壓LDMOS的版圖結構圖

3.總結

本文詳細地介紹了一種新型的BCD工藝平臺.在設計中,各類器件的兼容性設計成為我們考慮的重點,在著重介紹了工藝平臺的部分主要版次后,對平臺整體的工藝流程進行了詳細介紹.最后借助工藝平臺所提供的版圖設計規則,展示了高壓LDMOS器件的版圖設計.

[1]喬明,方健,肖志強,等.1200V+MR+DRESURF+LDMOS與BCD兼容工藝研究[J].半導體學報,2006,27:68.

[2]Fang Jian,Yi Kun,Li Zhaoji,et al.On-state breakdown model for high voltage RESUEF LDMOS.Chinese Journal of Semiconductors,2005,26(3):437.

高大偉(1985-),男,內蒙古包頭人,碩士研究生,現任職于電子科技大學成都學院.