BCD 프로세스

BCD 프로세스란 무엇인가요?

BCD 공정은 1986년 ST사가 최초로 도입한 단일 칩 집적 공정 기술입니다. 이 기술을 이용하면 바이폴라, CMOS, DMOS 소자를 하나의 칩에 모두 구현할 수 있으며, 칩의 면적을 크게 줄일 수 있습니다.

BCD 공정은 바이폴라 구동 능력, CMOS의 높은 집적도 및 저전력 소비, 그리고 DMOS의 높은 전압 및 전류 흐름 용량이라는 장점을 최대한 활용한다고 할 수 있습니다. 특히 DMOS는 전력 효율과 집적도 향상의 핵심 요소입니다. 집적 회로 기술의 발전과 함께 BCD 공정은 PMIC의 주류 제조 기술로 자리 잡았습니다.

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BCD 프로세스의 장점

BCD 공정은 바이폴라 소자, CMOS 소자, DMOS 전력 소자를 하나의 칩에 동시에 구현하여, 바이폴라 소자의 높은 트랜스컨덕턴스와 강력한 부하 구동 능력, 그리고 CMOS 소자의 높은 집적도와 낮은 전력 소비를 통합함으로써 각 소자의 장점을 최대한 활용할 수 있도록 합니다. 또한, DMOS 소자는 매우 낮은 전력 소비로 스위칭 모드에서 동작할 수 있습니다. 요컨대, 낮은 전력 소비, 높은 에너지 효율, 높은 집적도는 BCD 공정의 주요 장점 중 하나입니다. BCD 공정은 전력 소비를 크게 줄이고 시스템 성능을 향상시키며 신뢰성을 높일 수 있습니다. 전자 제품의 기능이 나날이 증가함에 따라 전압 변화, 커패시터 보호, 배터리 수명 연장에 대한 요구 사항이 점점 더 중요해지고 있습니다. BCD의 고속 및 에너지 절약 특성은 고성능 아날로그/전력 관리 칩에 필요한 공정 요구 사항을 충족합니다.

BCD 프로세스의 핵심 기술

BCD 공정의 대표적인 소자로는 저전압 CMOS, 고전압 MOS 튜브, 다양한 항복 전압을 갖는 LDMOS, 수직형 NPN/PNP 및 쇼트키 다이오드 등이 있습니다. 일부 공정에서는 JFET 및 EEPROM과 같은 소자를 통합하기도 하므로 BCD 공정에서는 매우 다양한 소자가 사용됩니다. 따라서 설계 시 고전압 소자와 저전압 소자, 더블클릭 공정과 CMOS 공정 등의 호환성을 고려하는 것 외에도 적절한 절연 기술을 고려해야 합니다.

BCD 절연 기술에서는 접합 절연, 자체 절연, 유전체 절연 등 다양한 기술들이 잇따라 등장했습니다. 접합 절연 기술은 P형 기판 위에 N형 에피택셜 층을 형성하고 PN 접합의 역방향 바이어스 특성을 이용하여 절연을 구현하는 기술입니다. PN 접합은 역방향 바이어스 하에서 매우 높은 저항을 가지기 때문입니다.

자체 절연 기술은 본질적으로 PN 접합 절연 방식이며, 소자의 소스 및 드레인 영역과 기판 사이의 PN 접합 특성을 이용하여 절연을 구현합니다. MOS 소자가 켜지면 소스 영역, 드레인 영역 및 채널이 공핍 영역으로 둘러싸여 기판으로부터 절연됩니다. 반대로 꺼지면 드레인 영역과 기판 사이의 PN 접합에 역방향 바이어스가 걸리고, 소스 영역의 고전압이 공핍 영역에 의해 절연됩니다.

유전체 절연은 산화규소와 같은 절연 매체를 사용하여 절연을 구현합니다. 유전체 절연과 접합 절연을 기반으로, 두 가지의 장점을 결합하여 준유전체 절연이 개발되었습니다. 이러한 절연 기술을 선택적으로 적용함으로써 고전압 및 저전압 호환성을 확보할 수 있습니다.

BCD 프로세스의 개발 방향

BCD 공정 기술의 발전은 무어의 법칙을 따라 선폭 축소와 속도 향상 방향으로 꾸준히 발전해 온 일반적인 CMOS 공정과는 다릅니다. BCD 공정은 크게 고전압, 고전력, 고밀도의 세 가지 방향으로 나뉘어 개발되어 왔습니다.

1. 고전압 BCD 방향

고전압 BCD는 동일한 칩에 고신뢰성 저전압 제어 회로와 초고전압 DMOS급 회로를 동시에 구현할 수 있어 500~700V의 고전압 소자 생산이 가능합니다. 그러나 일반적으로 BCD는 전력 소자에 대한 요구 사항이 비교적 높은 제품, 특히 BJT 또는 고전류 DMOS 소자에 적합하며, 전자 조명 및 산업용 기기의 전력 제어에 사용될 수 있습니다.

현재 고전압 BCD 제조에 사용되는 기술은 1979년 Appel 등이 제안한 RESURF 기술입니다. 이 기술은 표면 전기장 분포를 평탄하게 하기 위해 약하게 도핑된 에피택셜 층을 사용하여 표면 항복 특성을 개선함으로써 항복이 표면이 아닌 바디에서 발생하도록 하여 소자의 항복 전압을 증가시키는 것입니다. 약 도핑은 BCD의 항복 전압을 높이는 또 다른 방법입니다. 주로 이중 확산 드레인(DDD, Double Doping Drain)과 약 도핑 드레인(LDD, Light Doping Drain)을 사용합니다. DMOS 드레인 영역에는 N형 드리프트 영역을 추가하여 기존의 N+ 드레인과 P형 기판 사이의 접촉을 N- 드레인과 P형 기판 사이의 접촉으로 변경함으로써 항복 전압을 증가시킵니다.

2. 고출력 BCD 방향

고출력 BCD의 전압 범위는 40~90V이며, 주로 높은 전류 구동 능력, 중간 전압 및 간단한 제어 회로가 요구되는 자동차 전자 장치에 사용됩니다. 요구 특성은 높은 전류 구동 능력, 중간 전압, 그리고 비교적 간단한 제어 회로입니다.

3. 고밀도 BCD 방향

고밀도 BCD는 5~50V의 전압 범위를 가지며, 일부 자동차 전자 장치에서는 70V까지 사용됩니다. 점점 더 복잡하고 다양한 기능을 하나의 칩에 통합할 수 있습니다. 고밀도 BCD는 모듈형 설계 방식을 채택하여 제품의 다양화를 실현하며, 주로 자동차 전자 장치 분야에 사용됩니다.

BCD 프로세스의 주요 응용 분야

BCD 공정은 전력 관리(전력 및 배터리 제어), 디스플레이 구동, 자동차 전자 장치, 산업 제어 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 전력 관리 칩(PMIC)은 중요한 아날로그 칩 유형 중 하나입니다. BCD 공정과 SOI 기술의 결합 또한 BCD 공정 개발의 주요 특징입니다.