绝缘栅极双极性晶体管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施例是有关于半导体技术，且特别是有关于绝缘栅极双极性晶体管及其 制造方法。
【背景技术】
[0002] 功率元件广泛地使用在用于驱动及控制高功率的家电制品及车载应用等。此功 率元件包括实行开关操作的大输出的功率晶体管。此种功率晶体管，除了功率金属氧化 物半导体场效应晶体管（M0SFET)、功率双极性晶体管外，还包括绝缘栅极双极性晶体管 (insulated gate bipolar transistor, IGBT)。绝缘栅极双极性晶体管兼具金属氧化物半 导体场效应晶体管的高输入阻抗与双极性晶体管的低导通电阻。
【发明内容】
[0003] 本发明实施例提供一种绝缘栅极双极性晶体管，可降低绝缘栅极双极性晶体管的 电流密度与关闭损耗。
[0004] 本发明一实施例提供的绝缘栅极双极性晶体管，包括：集极电极；集极层，电连接 集极电极，且具有第二导电型；第一导电型漂移层，设于集极层上，其中第一导电型与第二 导电型不同；第一射极层，设于第一导电型漂移层上，且具有第二导电型；沟槽（trench)， 自第一射极层的表面延伸入第一导电型漂移层中，其中沟槽具有相对的第一侧及第二侧； 栅极电极，填入沟槽中且延伸于第一射极层的表面上，其中在第一侧及第二侧的栅极电极 于第一射极层的表面上的延伸距离不同；栅极介电层，设于栅极电极与沟槽之间、以及栅极 电极与第一射极层之间；第二射极区，设于栅极电极两侧的第一射极层中，其中第二射极区 具有第一导电型；层间介电层，设于第一射极层上；及射极电极，与第一射极层及第二射极 区电连接，其中层间介电层设于栅极电极与射极电极之间。
[0005] 本发明一实施例提供一种绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，包括：提供基板，具 有第一导电型，且具有上表面及下表面；形成第一射极区，具有第二导电型，且自基板的上 表面延伸入基板中，且第二导电型与第一导电型不同；形成沟槽（trench)，自基板的上表 面延伸穿越第一射极区至基板中，其中沟槽具有相对的第一侧及第二侧；形成栅极结构，包 括栅极介电层及栅极电极，其中栅极电极填入沟槽中且延伸至基板的上表面上，其中在第 一侧及第二侧的栅极电极于基板的上表面上的延伸距离不同，而栅极介电层设于栅极电极 与沟槽之间、以及栅极电极与第一射极区之间；形成第二射极区于栅极电极两侧的第一射 极区中，其中第二射极区具有第一导电型；形成层间介电层于栅极电极上；形成射极电极， 射极电极与第一射极区、第二射极区电连接，且层间介电层设于栅极电极与射极电极之间； 形成集极区，具有第二导电型，且自基板的下表面延伸入基板中，其中基板未形成有第一射 极区、第二射极区及集极区的部分是作为第一导电型漂移区；及形成集极电极，集极电极电 连接集极区。
[0006] 本发明实施例又提供一种绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，包括：提供基板，具 有第二导电型，其中基板是作为集极区；形成外延层于基板上，外延层具有第一导电型，且 第一导电型与第二导电型不同；形成第一射极区，自外延层的表面延伸入外延层中，且具有 第二导电型；形成沟槽（trench),自第一射极区的表面延伸穿越第一射极区至外延层中， 其中沟槽具有相对的第一侧及第二侧；形成栅极结构，包括栅极介电层及栅极电极，其中栅 极电极填入沟槽中且延伸至第一射极区的表面，其中在第一侧及第二侧的栅极电极于第一 射极区的表面上的延伸距离不同，而栅极介电层设于栅极电极与沟槽之间、以及栅极电极 与第一射极区之间；形成第二射极区于栅极电极两侧的第一射极区中，其中第二射极区具 有第一导电型，其中外延层未形成有第一射极区及第二射极区的部分是作为第一导电型漂 移区；形成层间介电层于栅极电极上；形成射极电极，射极电极与第一射极区、第二射极区 电连接，且层间介电层设于栅极电极与射极电极之间；及形成集极电极，集极电极电连接集 极区。
[0007] 为让本发明的特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图 示，作详细说明如下。
【附图说明】
[0008] 图1-8是本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管在其制造方法中各阶段的剖面 图；
[0009] 图9是本发明另一实施例的绝缘栅极双极性晶体管的剖面图；
[0010] 图10是本发明实施例与比较例的绝缘栅极双极性晶体管的电流密度与电压分析 图；
[0011] 图11为图10的局部放大图；
[0012] 图12是本发明实施例与比较例的绝缘栅极双极性晶体管的安全操作区域与导通 电压分析图；
[0013] 图13是本发明实施例与比较例的绝缘栅极双极性晶体管的开关性能分析图；
[0014] 图14为图13的局部放大图；
[0015] 图15是本发明实施例与比较例的绝缘栅极双极性晶体管的电场分析图；及
[0016] 图16是本发明实施例与比较例的绝缘栅极双极性晶体管的击穿电压分析图。
[0017] 符号说明：
[0018] 100基板； 100A上表面；
[0019] 100B下表面； 110第一射极区/层；
[0020] 120 沟槽； S1 第一侧；
[0021] S2第二侧； 130栅极结构；
[0022] 130P水平栅极部分；130V垂直栅极部分；
[0023] 140介电材料层； 150导电层；
[0024] 160栅极介电层； 170栅极电极；
[0025] 180第二射极区； 190层间介电层；
[0026] 200接点开口； 210第三射极区；
[0027] 220射极电极； 230集极预定区；
[0028] 240预定漂移区； 250重掺杂缓冲层；
[0029] 260集极区/层；
[0030] 255/270第一导电型漂移区/层；
[0031] 280集极电极；
[0032] 300绝缘栅极双极性晶体管；
[0033] T1厚度； T2厚度；
[0034] T3厚度； W1宽度；
[0035] W2宽度； W3宽度；
[0036] W4宽度； W5宽度。
【具体实施方式】
[0037] 以下针对本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管作详细说明。应了解的是，以下 的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明的不同样态。以下所述特定的元件 及排列方式仅为简单描述本发明。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同 实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所 讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。再者，当述及一第一材料层位于一第 二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材料层直接接触的情形。或者，亦可能间隔有 一或更多其它材料层的情形，在此情形中，第一材料层与第二材料层之间可能不直接接触。 [0038] 必需了解的是，为特别描述或图示的元件可以此领域技术人员所熟知的各种形式 存在。此外，当某层在其它层或基板"上"时，有可能是指"直接"在其它层或基板上，或指 某层在其它层或基板上，或指其它层或基板之间夹设其它层。
[0039] 此外，实施例中可能使用相对的用语，例如"较低"或"底部"及"较高"或"顶部"， 以描述图示的一个元件对于另一元件的相对关系。能理解的是，如果将图示的装置翻转使 其上下颠倒，则所叙述在"较低"侧的元件将会成为在"较高"侧的元件。
[0040] 在此，"约"、"大约"的用语在一些实施例中通常表示在一给定值或范围的20%或 其它数值之内，较佳是10%之内，且更佳是5%之内。在此给定的数量为大约的数量，意即 在没有特定说明的情况下，仍可隐含"约"、"大约"的含义。
[0041] 本发明实施例可利用一非对称栅极结构以降低此绝缘栅极双极性晶体管的电流 密度（current density)及关闭损耗（turn-off loss)且同时维持其导通电压（turn on voltage)〇
[0042] 参见图1，首先提供一基板100。此基板100可包括：单晶结构、多晶结构或非晶 结构的娃或锗的元