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 (insulatedgatebipolartransistor,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，包括：基板，具有第一导电型，且 具有上表面及下表面；第一导电型集电极区及相邻的第二导电型集电极区，自基板的下表 面延伸入基板中，其中第二导电型与第一导电型不同；集电极电极，电连接第二导电型集电 极区，且通过集电极绝缘层与第一导电型集电极区电性绝缘；第一发射极区，具有第二导电 型，自基板的上表面延伸入基板中；第二发射极区，具有第一导电型，且自基板的上表面延 伸入第一发射极区中，其中基板未形成有第一发射极区、第二发射极区、第一导电型集电极 区及第二导电型集电极区的部分是作为第一导电型基极区；发射极电极，与第一发射极区 及第二发射极区电连接；栅极介电层，设于第一发射极区、第二发射极区与基板上；及栅极 电极，设于栅极介电层上。
[0004] 本发明实施例还提供一种绝缘栅极双极性晶体管，包括：基板，具有第一导电型， 且具有上表面及下表面；第一导电型集电极区及相邻的第二导电型集电极区，自基板的下 表面延伸入基板中，其中第二导电型与第一导电型不同；集电极电极，电连接第二导电型集 电极区，且通过集电极绝缘层与第一导电型集电极区电性绝缘；第一发射极区，具有第二导 电型，且自基板的上表面延伸入基板中；第二发射极区，具有第一导电型，且自基板的上表 面延伸入第一发射极区中，其中基板未形成有第一发射极区、第二发射极区、第一导电型集 电极区及第二导电型集电极区的部分是作为第一导电型基极区；发射极电极，与第一发射 极区及第二发射极区电连接；沟槽（trench)，自基板的上表面延伸穿越第一发射极区与第 二发射极区并进入基板中；栅极介电层，内衬于沟槽的侧壁与底部；栅极电极，设于栅极介 电层上且填入沟槽；及电极间介电层，设于栅极电极与发射极电极之间。
[0005] 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 有第一导电型，且具有上表面及下表面；形成第一发射极区，具有第二导电型，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；形成栅极介电层于第一发射极区与 基板上；形成栅极电极于栅极介电层上；形成第二发射极区，第二发射极区具有第一导电 型，且自基板的上表面延伸入第一发射极区中；形成发射极电极，发射极电极与第一发射极 区及第二发射极区电连接；形成第一导电型集电极区，自基板的下表面延伸入基板中；形 成集电极绝缘层于第一导电型集电极区上；形成第二导电型集电极区相邻于第一导电型集 电极区，其中基板未形成有第一发射极区、第二发射极区、第一导电型集电极区及第二导电 型集电极区的部分是作为第一导电型基极区；以及形成集电极电极，集电极电极电连接第 二导电型集电极区，且通过集电极绝缘层与第一导电型集电极区电性绝缘。
[0006] 本发明实施例再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；形成第一发射极区，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 表面延伸穿越第一发射极区至基板中；顺应性形成栅极介电层于沟槽的侧壁与底部上；形 成栅极电极于栅极介电层上且填入沟槽；形成第二发射极区，第二发射极区具有第一导电 型，且自基板的上表面延伸入第一发射极区中；形成电极间介电层于栅极电极上；形成发 射极电极，发射极电极与第一发射极区及第二发射极区电连接，且电极间介电层设于栅极 电极与发射极电极之间；形成第一导电型集电极区，自基板的下表面延伸入基板中；形成 集电极绝缘层于第一导电型集电极区上；形成第二导电型集电极区相邻于第一导电型集电 极区，其中基板未形成有第一发射极区、第二发射极区、第一导电型集电极区及第二导电型 集电极区的部分是作为第一导电型基极区；以及形成集电极电极，集电极电极电连接第二 导电型集电极区，且通过集电极绝缘层与第一导电型集电极区电性绝缘。
[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 式，作详细说明如下。
【附图说明】
[0008] 图1-7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8-17是本发明另一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；
[0010] 图18是绝缘栅极双极性晶体管的开关性能分析图；及
[0011] 图19是绝缘栅极双极性晶体管的击穿电压分析图。
[0012] 符号说明：
[0013] 100绝缘栅极双极性晶体管；
[0014] 110 基板；
[0015]110A上表面；
[0016] 110B下表面；
[0017] 120第一发射极区；
[0018] 130a栅极介电层；
[0019] 130b电极间介电层；
[0020] 140栅极电极；
[0021] 150第二发射极区；
[0022] 160第三发射极区；
[0023] 170发射极电极；
[0024] 180集电极预定区；
[0025] 190基极预定区；
[0026] 190'第一导电型基极区；
[0027] 200重掺杂缓冲层；
[0028] 210图案化掩膜层；
[0029] 220开口；
[0030] 230第一导电型集电极区；
[0031] 240绝缘材料层；
[0032] 250图案化掩膜层；
[0033] 260第二导电型集电极区；
[0034] 270集电极绝缘层；
[0035] 280集电极电极；
[0036] 300绝缘栅极双极性晶体管；
[0037] 310基板；
[0038] 310A上表面；
[0039] 310B下表面；
[0040] 320第一发射极区；
[0041] 330 沟槽；
[0042] 340栅极介电层；
[0043] 350栅极电极；
[0044] 360第二发射极区；
[0045] 370电极间介电层；
[0046] 380开口；
[0047]390第三发射极区；
[0048] 400发射极电极；
[0049] 410集电极预定区；
[0050] 420基极预定区；
[0051] 420'第一导电型基极区；
[0052] 430重掺杂缓冲层；
[0053] 440图案化掩膜层；
[0054] 450开口；
[0055] 460第一导电型集电极区；
[0056] 470绝缘材料层；
[0057] 480图案化掩膜层；
[0058] 490第二导电型集电极区；
[0059] 500集电极绝缘层；
[0060]510集电极电极；
[0061]T1-T6 厚度；
[0062]W1-W8宽度。
【具体实施方式】
[0063] 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 及排列方式尽为简单描述本发明。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。 [0064] 必需了解的是，为特别描述或图示的元件可以此技术人士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。
[0065] 此外，实施例中可能使用相对性的用语，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。
[0066] 在此，"约"、"大约"的用语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。
[0067] 本发明实施例利用一第一导电型集电极区及形成于其上的集电极绝缘层以降 低此绝缘栅极双极性晶体管的关闭损失（turn-offloss)且同时维持其导通电压（on voltage)〇
[0068] 参见图1，首先提供一基板110。此基板110可包括：结晶结构、多晶结构或非晶 结构的娃或锗的元素半导体；氮化镓（GaN)、碳化娃（siliconcarbi