BiCMOS工艺制程技术简介

随着集成电路的快速发展及其应用领域的不断扩大，通信业界对于大规模集成电路的小型化、高速、低电源电压、低功耗和高性价比等方面的要求越来越高。虽然传统的双极型工艺集成电路具有高速度、强电流驱动和高模拟精度等方面的优点，但双极型工艺集成电路在功耗和集成度方面却无法满足 VLSI 系统集成多方面的发展需要，而CMOS 工艺集成电路在低功耗、高度集成和强抗干扰能力等方面有着双极型工艺集成电路无法比拟的优势，但是20 世纪70、80年代的CMOS 工艺集成电路速度低、驱动能力差，它只能满足低速的数字集成电路和小功率模拟集成电路的要求。由此可见，无论是单一早期落后的CMOS 工艺制程技术，还是单一的双极型工艺制程技术都无法满足 VLSI 系统集成多方面性能的要求，因此只有融合CMOS 工艺制程技术和双极型工艺制程技术这两种工艺制程技术各自的优点，才能满足早期 VLSI 系统集成多方面的要求，制造具有CMOS 工艺制程技术和双极型工艺制程技术特点的BiCMOS工艺制程技术才是早期 VLSI发展的必然产物。BiCMOS 是双极-互补金属氧化物半导体，简单来说BiCMOS 工艺制程技术是将双极型器件和CMOS 器件同时制造在同一芯片上，发挥它们各自的优势，克服各自的缺点，综合双极型器件的高跨导、强驱动能力和CMOS 器件的低功耗、高集成度的优点，使BiCMOS 工艺集成电路集高速度、高集成度和低功耗于一体，为高速、高集成度、高性能及强驱动的集成电路发展开辟了一条新的道路。

按照基本工艺制程技术的类型，BiCMOS 工艺制程技术又可以分为以 CMOS 工艺制程技术为基础的 BiCMOS 工艺制程技术，或者以双极型工艺制程技术为基础的 BiCMOS 工艺制程技术。以CMOS 工艺制程技术为基础的BiCMOS工艺制程技术对保证MOS 器件的性能比较有利，而以双极型工艺制程技术为基础的BiCMOS工艺制程技术对保证双极型器件的性能比较有利。由于实际应用中，影响 BiCMOS 器件性能的主要是双极型晶体管部分，因此以双极型工艺制程技术为基础的 BiCMOS 工艺制程技术较为常用。

图1-15所示为0.35μm BiCMOS 工艺制程技术的器件剖面图。它是以传统CMOS 工艺制程技术为基础，增加少量的工艺步骤而成。它包含 3.3V NMOS、3.3V PMOS、纵向 NPN结构（VNPN）和横向PNP结构 （LPNP）。

BiCMOS 工艺集成电路的基本设计思想是芯片内部核心逻辑部分采用CMOS器件为主要单元门电路，而输入输出缓冲电路和驱动电路要求驱动大电容负载，所以输入输出缓冲电路和驱动电路使用双极型器件，这是最早的 BiCMOS 工艺集成电路的设计方案。因此BiCMOS 工艺集成电路既具有CMOS 工艺集成电路的高集成度和低功耗的优点，又获得了双极型工艺集成电路的高速和强电流驱动能力的优势。

随着 BiCMOS工艺制程技术的不断进步，在更先进的 BiCMOS 工艺制程技术中，设计人员已经可以将双极型器件也集成到逻辑门中，因为这样可以大幅提升逻辑门的速度，虽然加入双极型器件的逻辑门会增加大概10%~20%的面积，但是考虑到其负载能力的增强，与CMOS 逻辑门相比，在相同驱动能力条件下，BiCMOS 逻辑门的实际集成度还是有很大的提升。另外与CMOS逻辑门类似，BiCMOS 逻辑门电路的输出端两管轮番导通，所以这种 BiCMOS 逻辑门的静态功耗几乎接近于零，而且在同样的设计尺寸下，BiCMOS 逻辑门的速度会更加快。

图1-16所示为基本的BiCMOS 反相器逻辑门电路，为了使表达起来更清楚，MOS 器件用符号Mn和Mp表示，Mn表示 NMOS,Mp表示 PMOS，双极型器件用T表示。T1和T2构成推拉式输出级，而Mp、Mn、Mn1和Mn2所组成的输入级与基本的CMOS 反相器逻辑门的输入级很相似。输入信号同时作用于 Mp和Mn的栅极。当输入信号为高电压时Mn导通而Mp截止；而当输入信号为低电压时，情况则相反，Mp导通，Mn截止。当输出端有同类 BiCMOS 逻辑门电路时，输出级能提供足够大的电流为电容性负载充电。同理，已充电的电容负载也能迅速地通过T2放电。

上述电路中T1和T2的基区存储电荷亦可通过Mn1和Mn2释放，以加快电路的开关速度。当输入信号为高电压时Mn1导通，T1基区的存储电荷迅速消散。这种作用与TTL门电路的输入级中T1类似。同理，当输入信号为低电压时，电源电压 VDD 通过 Mp提供激励使 Mn2导通，显然T2基区的存储电荷通过 Mn2而释放。所以门电路的开关速度可得到有效的改善。

在功耗方面，以32位的CPU采用CMOS 工艺制程技术为例，CPU芯片外主线要有较大的带电容负载的能力。32位的CPU 包含有10个或者更多的接口器件，但同一时间内只有一条主线是激活的，即每一条主线有90%的时间不工作。如果采用双极工艺制程技术制作传统的接口驱动电路可以保证数据传输速度，但是功耗却大了些。因为单纯双极型接口驱动电路，即使接口驱动电路不被激活时它也在不停地消耗功率，所以整个CPU 的静态功耗非常大。如果利用 BiCMOS 工艺制程技术制造接口驱动电路，则不被激活的接口驱动电路功耗非常小，在很多情况下，静态功耗可以节省接近100%，而传统主线接口驱动电路的功耗约占整个系统功耗的30%，所以这种省电效果非常显著，因而特别适用于手机、个人数字处理器和笔记本电脑等一类使用电池的通信、计算机和网络设备中。更为有利的是，BiCMOS数字集成电路的速度与先进的双极型电路不相上下，这与高速数字通信系统的速度要求是相适应的。

目前，BiCMOS 工艺制程技术主要用于 RF电路、LED 控制驱动和 IGBT 控制驱动等芯片设计，对于高度集成的片上系统（SOC）芯片设计，CMOS 工艺制程技术还是最理想的选择。