BCDプロセス

BCDプロセスとは何ですか？

BCDプロセスは、1986年にSTマイクロエレクトロニクス社が初めて導入したシングルチップ集積プロセス技術です。この技術により、バイポーラ、CMOS、DMOSデバイスを同一チップ上に集積することが可能となり、チップ面積を大幅に削減できます。

BCDプロセスは、バイポーラ駆動能力、CMOSの高集積度と低消費電力、そしてDMOSの高電圧・高電流容量といった利点を最大限に活用していると言える。中でもDMOSは、電力効率と集積度の向上において重要な役割を担っている。集積回路技術のさらなる発展に伴い、BCDプロセスはPMICの主流製造技術となった。

BCDプロセス断面図、ソースネットワーク、ありがとうございます

BCDプロセスの利点

BCDプロセスは、バイポーラデバイス、CMOSデバイス、DMOSパワーデバイスを同一チップ上に同時に集積し、バイポーラデバイスの高い相互コンダクタンスと強力な負荷駆動能力、CMOSの高い集積度と低消費電力を統合することで、それぞれの利点を最大限に発揮し、互いに補完し合うことを可能にします。同時に、DMOSは極めて低い消費電力でスイッチングモードで動作できます。つまり、低消費電力、高エネルギー効率、高集積度は、BCDの主な利点の1つです。BCDプロセスは、消費電力を大幅に削減し、システム性能を向上させ、信頼性を高めることができます。電子製品の機能は日々増加しており、電圧変動、コンデンサ保護、バッテリー寿命延長に対する要求はますます重要になっています。BCDの高速性と省エネルギー特性は、高性能アナログ/パワーマネジメントチップのプロセス要件を満たしています。

BCDプロセスの主要技術

BCDプロセスで用いられる代表的なデバイスには、低電圧CMOS、高電圧MOSトランジスタ、各種耐圧のLDMOS、垂直型NPN/PNPダイオード、ショットキーダイオードなどがあります。また、JFETやEEPROMなどのデバイスを統合するプロセスもあり、BCDプロセスでは非常に多様なデバイスが存在します。そのため、設計においては、高電圧デバイスと低電圧デバイス、ダブルクリックプロセスとCMOSプロセスなどの互換性を考慮するだけでなく、適切な絶縁技術についても検討する必要があります。

BCD分離技術においては、接合分離、自己分離、誘電体分離など、多くの技術が次々と登場してきた。接合分離技術とは、P型基板上のN型エピタキシャル層上にデバイスを形成し、PN接合の逆バイアス特性を利用して分離を実現する技術である。PN接合は逆バイアス下で非常に高い抵抗値を示すためである。

自己絶縁技術は、本質的にPN接合の絶縁であり、デバイスのソース領域とドレイン領域、および基板間のPN接合の自然な特性を利用して絶縁を実現します。MOSトランジスタがオンになると、ソース領域、ドレイン領域、およびチャネルは空乏層に囲まれ、基板から絶縁されます。オフになると、ドレイン領域と基板間のPN接合は逆バイアスされ、ソース領域の高電圧は空乏層によって絶縁されます。

誘電体絶縁は、酸化シリコンなどの絶縁媒体を用いて絶縁を実現する。誘電体絶縁と接合絶縁を基盤として、両者の利点を組み合わせた準誘電体絶縁が開発された。上記の絶縁技術を選択的に採用することで、高電圧と低電圧の互換性を実現できる。

BCDプロセスの開発方向

BCDプロセス技術の開発は、ムーアの法則に従って線幅の縮小と高速化の方向で常に発展してきた標準的なCMOSプロセスとは異なります。BCDプロセスは、高電圧、高電力、高密度という3つの方向に大きく分化して開発されています。

1. 高電圧BCD方向

高電圧BCDは、高信頼性の低電圧制御回路と超高電圧DMOSレベル回路を同一チップ上に同時に製造することができ、500～700Vの高電圧デバイスの製造を実現できます。しかしながら、一般的にBCDは、パワーデバイス、特にBJTや大電流DMOSデバイスに対する要求が比較的高い製品に適しており、電子照明や産業用途における電力制御に使用できます。

高電圧BCDを製造する現在の技術は、1979年にAppelらが提案したRESURF技術である。このデバイスは、表面電界分布を平坦化するために軽度にドープされたエピタキシャル層を使用して作られており、それによって表面破壊特性が改善され、破壊が表面ではなく本体で発生するため、デバイスの破壊電圧が増加する。軽度ドーピングは、BCDの破壊電圧を増加させるもう1つの方法である。これは主に、ダブル拡散ドレインDDD（ダブルドーピングドレイン）と軽度ドーピングドレインLDD（軽度ドーピングドレイン）を使用する。DMOSドレイン領域では、N型ドリフト領域が追加され、N+ドレインとP型基板間の元のコンタクトがN-ドレインとP型基板間のコンタクトに変更され、それによって破壊電圧が増加する。

2. 高出力BCD方向

高出力BCDの電圧範囲は40～90Vで、主に高電流駆動能力、中電圧、シンプルな制御回路を必要とする車載電子機器に使用されます。要求される特性は、高電流駆動能力、中電圧、そして比較的シンプルな制御回路です。

3. 高密度BCD方向

高密度BCDは、電圧範囲が5～50Vで、車載電子機器の中には70Vに達するものもあります。ますます複雑で多様な機能を同一チップ上に集積することが可能になっています。高密度BCDは、製品の多様化を実現するためにモジュール設計の考え方を取り入れており、主に車載電子機器用途で使用されています。

BCDプロセスの主な応用例

BCDプロセスは、電源管理（電源およびバッテリー制御）、ディスプレイ駆動、車載エレクトロニクス、産業制御など、幅広い分野で利用されています。電源管理チップ（PMIC）は、重要なアナログチップの一つです。BCDプロセスとSOI技術の組み合わせは、BCDプロセス開発における大きな特徴の一つでもあります。