BCD 프로세스

BCD 프로세스란 무엇인가요?

BCD 공정은 ST가 1986년 처음 도입한 단일 칩 집적 공정 기술입니다. 이 기술은 바이폴라, CMOS, DMOS 소자를 하나의 칩에 구현할 수 있으며, 외관이 단순하여 칩 면적을 크게 줄입니다.

BCD 공정은 바이폴라 구동 능력, CMOS의 고집적화 및 저전력 소모, 그리고 DMOS의 고전압 및 고전류 용량이라는 장점을 최대한 활용한다고 할 수 있습니다. 특히 DMOS는 전력 효율과 집적도를 향상시키는 핵심 요소입니다. 집적 회로 기술의 발전과 함께 BCD 공정은 PMIC의 주요 제조 기술로 자리 잡았습니다.

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BCD 공정의 장점

BCD 공정은 바이폴라 소자, CMOS 소자, DMOS 전력 소자를 동일한 칩에 동시에 구현하여 바이폴라 소자의 높은 트랜스컨덕턴스 및 강력한 부하 구동 성능과 CMOS의 고집적 및 저전력 소모 특성을 통합함으로써 서로 보완하고 각각의 장점을 최대한 발휘할 수 있도록 합니다. 동시에 DMOS는 매우 낮은 전력 소모로 스위칭 모드에서 작동할 수 있습니다. 즉, 낮은 전력 소모, 높은 에너지 효율, 그리고 고집적은 BCD의 주요 장점 중 하나입니다. BCD 공정은 전력 소모를 크게 줄이고 시스템 성능을 향상시키며 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 전자 제품의 기능이 날로 향상됨에 따라 전압 변경, 커패시터 보호 및 배터리 수명 연장에 대한 요구 사항이 점점 더 중요해지고 있습니다. BCD의 고속 및 에너지 절약 특성은 고성능 아날로그/전력 관리 칩에 대한 공정 요건을 충족합니다.

BCD 공정의 핵심 기술

BCD 공정의 대표적인 소자로는 저전압 CMOS, 고전압 MOS 튜브, 다양한 항복 전압을 갖는 LDMOS, 수직 NPN/PNP 및 쇼트키 다이오드 등이 있습니다. 일부 공정은 JFET 및 EEPROM과 같은 소자를 통합하여 BCD 공정에서 매우 다양한 소자를 생산합니다. 따라서 설계 시 고전압 소자와 저전압 소자, 더블클릭 공정, CMOS 공정 등의 호환성을 고려하는 것 외에도 적절한 절연 기술도 고려해야 합니다.

BCD 절연 기술에는 접합 절연, 자가 절연, 유전체 절연 등 다양한 기술이 속속 등장하고 있습니다. 접합 절연 기술은 P형 기판의 N형 에피택셜층 위에 소자를 배치하고, PN 접합의 역방향 바이어스 특성을 이용하여 절연을 구현하는 기술입니다. PN 접합은 역방향 바이어스에서 매우 높은 저항을 갖기 때문입니다.

자가 격리 기술은 본질적으로 PN 접합 격리로, 소자의 소스 및 드레인 영역과 기판 사이의 고유한 PN 접합 특성을 이용하여 격리를 구현합니다. MOS 튜브가 켜지면 소스 영역, 드레인 영역, 그리고 채널이 공핍 영역에 둘러싸여 기판으로부터 격리됩니다. 꺼지면 드레인 영역과 기판 사이의 PN 접합에 역방향 바이어스가 걸리고, 소스 영역의 고전압은 공핍 영역에 의해 격리됩니다.

유전체 절연은 실리콘 산화물과 같은 절연 매질을 사용하여 절연을 구현합니다. 유전체 절연과 접합 절연을 기반으로, 두 가지의 장점을 결합하여 준유전체 절연이 개발되었습니다. 위의 절연 기술을 선택적으로 채택함으로써 고전압 및 저전압 호환성을 달성할 수 있습니다.

BCD 공정의 개발 방향

BCD 공정 기술의 발전은 무어의 법칙을 따라 항상 더 작은 선폭과 더 빠른 속도를 지향해 온 표준 CMOS 공정과는 다릅니다. BCD 공정은 고전압, 고전력, 고밀도의 세 가지 방향으로 크게 구분되고 발전해 왔습니다.

1. 고전압 BCD 방향

고전압 BCD는 고신뢰성 저전압 제어 회로와 초고전압 DMOS급 회로를 동일 칩에 동시에 구현할 수 있으며, 500~700V 고전압 소자 생산을 실현할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 BCD는 전력 소자, 특히 BJT 또는 고전류 DMOS 소자에 대한 요구 사항이 비교적 높은 제품에 여전히 적합하며, 전자 조명 및 산업용 애플리케이션의 전력 제어에 사용될 수 있습니다.

고전압 BCD를 제조하는 현재 기술은 Appel 등이 1979년에 제안한 RESURF 기술입니다. 이 소자는 표면 전계 분포를 더 평탄하게 만들기 위해 가볍게 도핑된 에피택셜 층을 사용하여 만들어 표면 항복 특성을 개선하여 항복이 표면 대신 본체에서 발생하도록 하여 소자의 항복 전압을 높입니다. 가벼운 도핑은 BCD의 항복 전압을 높이는 또 다른 방법입니다. 주로 이중 확산 드레인 DDD(double Doping Drain)와 가볍게 도핑된 드레인 LDD(lightly Doping Drain)를 사용합니다. DMOS 드레인 영역에 N형 드리프트 영역을 추가하여 N+ 드레인과 P형 기판 사이의 원래 접촉을 N- 드레인과 P형 기판 사이의 접촉으로 변경하여 항복 전압을 높입니다.

2. 고출력 BCD 방향

고전력 BCD의 전압 범위는 40~90V이며, 주로 고전류 구동 능력, 중전압 및 간단한 제어 회로를 요구하는 자동차 전자 장치에 사용됩니다. BCD의 요구 특성은 고전류 구동 능력, 중전압이며, 제어 회로가 비교적 간단한 경우가 많습니다.

3. 고밀도 BCD 방향

고밀도 BCD는 전압 범위가 5~50V이며, 일부 자동차 전자 장치는 최대 70V까지 사용할 수 있습니다. 점점 더 복잡하고 다양한 기능을 하나의 칩에 통합할 수 있습니다. 고밀도 BCD는 제품 다각화를 위해 모듈식 설계 방식을 채택했으며, 주로 자동차 전자 애플리케이션에 사용됩니다.