CN105280692A - 绝缘栅极双极性晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

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；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，第二发射极区，以及第一导电型基极区；发射极电极，栅极介电层，及栅极电极，栅极电极设于栅极介电层上。本发明实施例亦提供此绝缘栅极双极性晶体管的制造方法。

Description

绝缘栅极双极性晶体管及其制造方法

技术领域

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

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(MOSFET)、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

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。

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。

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。

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。

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

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；

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；

图18是绝缘栅极双极性晶体管的开关性能分析图；及

图19是绝缘栅极双极性晶体管的击穿电压分析图。

符号说明：

100绝缘栅极双极性晶体管；

110基板；

110A上表面；

110B下表面；

120第一发射极区；

130a栅极介电层；

130b电极间介电层；

140栅极电极；

150第二发射极区；

160第三发射极区；

170发射极电极；

180集电极预定区；

190基极预定区；

190’第一导电型基极区；

200重掺杂缓冲层；

210图案化掩膜层；

220开口；

230第一导电型集电极区；

240绝缘材料层；

250图案化掩膜层；

260第二导电型集电极区；

270集电极绝缘层；

280集电极电极；

300绝缘栅极双极性晶体管；

310基板；

310A上表面；

310B下表面；

320第一发射极区；

330沟槽；

340栅极介电层；

350栅极电极；

360第二发射极区；

370电极间介电层；

380开口；

390第三发射极区；

400发射极电极；

410集电极预定区；

420基极预定区；

420’第一导电型基极区；

430重掺杂缓冲层；

440图案化掩膜层；

450开口；

460第一导电型集电极区；

470绝缘材料层；

480图案化掩膜层；

490第二导电型集电极区；

500集电极绝缘层；

510集电极电极；

T1-T6厚度；

W1-W8宽度。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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(onvoltage)。

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硅或锗的元素半导体；氮化镓(GaN)、碳化硅(siliconcarbide)、砷化镓(galliumarsenic)、磷化镓(galliumphosphide)、磷化铟(indiumphosphide)、砷化铟(indiumarsenide)或锑化铟(indiumantimonide)等化合物半导体；SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP或GaInAsP等合金半导体或其它适合的材料及/或上述组合。在一实施例中，此基板110具有第一导电型。例如，当第一导电型为N型时，此基板110可为轻掺杂N型基板。此外，基板110具有上表面110A及下表面110B。

接着，于基板110中形成第一发射极区120。此第一发射极区120自基板110的部分上表面110A延伸入基板110中，如图1所示，第一发射极区120的宽度W2小于基板110的宽度W1。在本发明实施例中，第一发射极区120仅延伸入基板110的部分深度，亦即，此第一发射极区120的厚度T2小于基板110的厚度T1。此第一发射极区120具有第二导电型，且此第二导电型与第一导电型不同。例如，此第一发射极区120可通过离子注入步骤形成。在一实施例中，当此第二导电型为P型时，可于预定形成此第一发射极区120的区域注入硼离子、铟离子或二氟化硼离子(BF₂ ⁺)。

接着，参见图2，形成栅极介电层130a于第一发射极区120与基板110上，并形成栅极电极140于栅极介电层130a上。在一实施例中，可先依序毯覆性沉积一介电材料层(未绘示)及位于其上的导电材料层(未绘示)于基板110的上表面110A上，再将此介电材料层及导电材料层经光刻与蚀刻制造工艺分别图案化以形成栅极介电层130a及栅极电极140。

上述介电材料层(用以形成栅极介电层130a)可为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高介电常数(high-k)介电材料、或其它任何适合的介电材料、或上述的组合。此高介电常数(high-k)介电材料可为金属氧化物、金属氮化物、金属硅化物、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属硅化物、金属的氮氧化物、金属铝酸盐、锆硅酸盐、锆铝酸盐。例如，此高介电常数(high-k)介电材料可为LaO、AlO、ZrO、TiO、Ta₂O₅、Y₂O₃、SrTiO₃(STO)、BaTiO₃(BTO)、BaZrO、HfO₂、HfO₃、HfZrO、HfLaO、HfSiO、HfSiON、LaSiO、AlSiO、HfTaO、HfTiO、HfTaTiO、HfAlON、(Ba,Sr)TiO₃(BST)、Al₂O₃、其它适当材料的其它高介电常数介电材料、或上述组合。此介电材料层可通过化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法形成，此化学气相沉积法例如可为低压化学气相沉积法(lowpressurechemicalvapordeposition，LPCVD)、低温化学气相沉积法(lowtemperaturechemicalvapordeposition，LTCVD)、快速升温化学气相沉积法(rapidthermalchemicalvapordeposition，RTCVD)、等离子体增强化学气相沉积法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，PECVD)、原子层化学气相沉积法的原子层沉积法(atomiclayerdeposition，ALD)或其它常用的方法。

前述导电材料层的材料(亦即栅极电极140的材料)可为非晶硅、多晶硅、一或多种金属、金属氮化物、导电金属氧化物、或上述的组合。上述金属可包括但不限于钼(molybdenum)、钨(tungsten)、钛(titanium)、钽(tantalum)、铂(platinum)或铪(hafnium)。上述金属氮化物可包括但不限于氮化钼(molybdenumnitride)、氮化钨(tungstennitride)、氮化钛(titaniumnitride)以及氮化钽(tantalumnitride)。上述导电金属氧化物可包括但不限于钌金属氧化物(rutheniumoxide)以及铟锡金属氧化物(indiumtinoxide)。此导电材料层的材料可通过前述的化学气相沉积法(CVD)、溅射法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、或其它任何适合的沉积方式形成，例如，在一实施例中，可用低压化学气相沉积法(LPCVD)在525～650℃之间沉积而制得非晶硅导电材料层或多晶硅导电材料层，其厚度范围可为约至约

此外，栅极电极140的顶部还可包括一金属硅化物层，此金属硅化物可包括但不限于硅化镍(nickelsilicide)、硅化钴(cobaltsilicide)、硅化钨(tungstensilicide)、硅化钛(titaniumsilicide)、硅化钽(tantalumsilicide)、硅化铂(platinumsilicide)以及硅化铒(erbiumsilicide)。

如图2所示，栅极电极140设于栅极介电层130a上。详细而言，栅极介电层130a与栅极电极140皆设于第一发射极区120与基板110上，且栅极介电层130a使栅极电极140与第一发射极区120及基板110电性绝缘。

接着，继续参见图2，于第一发射极区120中形成具有第一导电型的第二发射极区150。例如，在一实施例中，此第二发射极区150为重掺杂第一导电型，此外，此第二发射极区150自基板110的部分上表面110A延伸入第一发射极区120中，如图2所示。在本发明实施例中，第二发射极区150仅延伸入第一发射极区120的部分深度，亦即，此第二发射极区150的厚度T3小于第一发射极区120的厚度T2。此第二发射极区150可通过离子注入步骤形成。例如，当此第一导电型为N型时，可于预定形成此第二发射极区150的区域注入磷离子或砷离子。

接着，可选择性(optionally)进行一离子注入步骤以形成一第三发射极区160于第二发射极区150中。此第三发射极区160亦自基板110的部分上表面110A延伸入第一发射极区120中，且厚度可等于或不等于T3。一般来说，第三发射极区160的厚度深于T3。第三发射极区160邻接第二发射极区150。此第三发射极区160可为重掺杂第二导电型。第二发射极区150与第三发射极区160的总宽度W3小于第一发射极区120的宽度W2。接着，在上表面110A形成电极间介电层130b其覆盖栅极电极140的顶部及侧壁以及第二发射极区150(图未绘示)。

接着，刻蚀覆盖在部分的第二发射极区150的电极间介电层130b(图未绘示)。参见图3，最后形成电极间介电层130b覆盖栅极电极140的顶部及侧壁。此电极间介电层130b是用以将栅极电极140与后续形成的发射极电极电性绝缘。电极间介电层130b可为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、旋涂式玻璃(SOG)、高密度的等离子体(highdensityplasma，HDP)沉积或其它任何适合的介电材料、或上述的组合。电极间介电层130b可通过前述的化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法以及图案化步骤形成。

接着，形成发射极电极170。此发射极电极170与第二发射极区150及第三发射极区160电连接。此发射极电极170又通过第三发射极区160耦接至第一发射极区120。发射极电极170可为单层或多层的金、铬、镍、铂、钛、铝、铱、铑、铜、上述的组合或其它导电性佳的金属材料(例如铝铜合金(AlCu)、铝硅铜合金(AlSiCu))。此发射极电极170可通过例如为溅射法、电镀法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、或其它任何适合的沉积制造工艺形成。

接着，于发射极电极170后，可选择性(optionally)薄化基板110(图式并未绘示此薄化后的基板)。此薄化后的基板110的厚度会依操作电压及元件结构而有所不同。

如图3所示，基板110的底部为集电极预定区180，而基板110中除第一发射极区120、第二发射极区150、第三发射极区160以及集电极预定区180以外的区域是作为基极预定区190。而于薄化基板110之后，可选择性(optionally)形成重掺杂缓冲层200于基极预定区190中(亦即形成于后续的第一导电型基极区中)。此重掺杂缓冲层200具有第一导电型，且可用以进一步缩小最终形成的绝缘栅极双极性晶体管的尺寸。此重掺杂缓冲层200可通过离子注入步骤形成。例如，当此第一导电型为N型时，可于预定形成此重掺杂缓冲层200的区域注入磷离子或砷离子。

接着，参见图4，形成图案化掩膜层210于基板110的下表面110B上。此图案化掩膜层210可为图案化光阻或例如为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的图案化硬掩膜层。此图案化掩膜层210具有开口220露出预定形成第一导电型集电极区的基板110。

接着，经由开口220进行一离子注入步骤以形成第一导电型集电极区230于基板110之中，此第一导电型集电极区230自基板110的下表面110B延伸入基板110中。此第一导电型集电极区230可降低基板110中的与第二导电型对应的载子数量。例如，当第二导电型为P型时，可降低基板110中空穴的数量。因此，此第一导电型集电极区230可降低关闭损失(turn-offloss)，且同时不影响导通电压(onvoltage)、击穿电压及闩锁电流密度(latchupcurrentdensity)。此外，由于关闭损失的降低，当装置关闭后，流动的载子可快速减少，因此可更进一步缩短装置的开关时间(switchingtime)，大幅增进装置的性能。

在一实施例中，当此第一导电型为N型时，可于预定形成第一导电型集电极区的基板110注入磷离子或砷离子以形成第一导电型集电极区230。此第一导电型集电极区230的宽度W4可为基板110宽度W1的约0.2-0.8倍，例如为约0.3-0.6倍。在此实施例中，若此第一导电型集电极区230的宽度W4过宽，例如宽于基板110宽度W1的0.8倍，则基板110中与第二导电型对应的载子数量会过低，使导通电压增加。然而，若此第一导电型集电极区230的宽度W4过窄，例如窄于基板110宽度W1的0.2倍，则其无法有效降低基板110中与第二导电型对应的载子数量，导致其无法有效降低装置的关闭损失。

参见图5，于移除图案化掩膜层210后，毯覆性形成绝缘材料层240于基板110的下表面110B上。此绝缘材料层240可为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、旋涂式玻璃(SOG)、或其它任何适合的介电材料、或上述的组合。绝缘材料层240可通过前述的化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法以及前述的图案化步骤形成。在一实施例中，可使用四乙氧基硅烷(TEOS，tetraethyl-ortho-silicate)为反应气体，以等离子体增强(plasmaenhanced)的方式沉积法并配合图案化步骤以形成绝缘材料层240。在另一实施例中，绝缘材料层240可通过热氧化法直接毯覆性形成于基板110的下表面110B上。

接着，形成图案化掩膜层250于基板110的下表面110B上以遮蔽第一导电型集电极区230并露出预定形成第二导电型集电极区的基板110。此图案化掩膜层250可为图案化光阻或例如为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的图案化硬掩膜层。

接着，如图6所示，以图案化掩膜层250作为掩膜进行另一离子注入步骤以形成第二导电型集电极区260于基板110之中。此第二导电型集电极区260亦自基板110的下表面110B延伸入基板110中。此第二导电型集电极区260相邻于第一导电型集电极区230。在一实施例中，当此第二导电型为P型时，可于预定形成此第二导电型集电极区260的区域注入硼离子、铟离子或二氟化硼离子(BF₂ ⁺)。而基板110未形成有第一发射极区120、第二发射极区150、第三发射极区160、第一导电型集电极区230及第二导电型集电极区260的部分是作为第一导电型基极区190’。

接着，移除未被图案化掩膜层250遮蔽的部分绝缘材料层240，剩余的绝缘材料层240是作为集电极绝缘层270，此集电极绝缘层270设于第一导电型集电极区230上。

应注意的是，虽然前述步骤为先形成第二导电型集电极区260，再形成集电极绝缘层270。然而上述步骤亦可前后互换，亦即可先移除未被图案化掩膜层250遮蔽的部分绝缘材料层240以形成集电极绝缘层270，再进行离子注入步骤以形成第二导电型集电极区260于基板110之中。

此集电极绝缘层270的厚度只要能让后续集电极电极280与第一导电型集电极区230之间电性绝缘即可，例如厚度大于10nm。另外，集电极绝缘层270的宽度W5可为基板110宽度W1的约0.2-0.8倍，例如为约0.3-0.6倍。在一实施例中，集电极绝缘层270的宽度W5可与第一导电型集电极区230的宽度W4相同。在另一实施例中，集电极绝缘层270的宽度W5可大于第一导电型集电极区230的宽度W4。应注意的是，此集电极绝缘层270的宽度W5应不小于第一导电型集电极区230的宽度W4，否则其无法将第一导电型集电极区230及后续形成的集电极电极280电性绝缘。

接着，参见图7，移除图案化掩膜层250，接着形成集电极电极280以完成绝缘栅极双极性晶体管100的制作。此集电极电极280电连接第二导电型集电极区260，且通过集电极绝缘层270与第一导电型集电极区230电性绝缘。集电极电极280可为单层或多层的金、铬、镍、铂、钛、铝、铱、铑、铜、上述的组合或其它导电性佳的金属材料(例如铝铜合金(AlCu)、铝硅铜合金(AlSiCu))。此集电极电极280可通过例如为溅射法、电镀法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、或其它任何适合的沉积制造工艺形成。

本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管100包括基板110，具有第一导电型，且具有上表面110A及下表面110B。第一导电型集电极区230及相邻的第二导电型集电极区260，自基板110的下表面110B延伸入基板110中，此第二导电型与第一导电型不同。集电极电极280，电连接第二导电型集电极区260，且通过集电极绝缘层270与第一导电型集电极区230电性绝缘。第一发射极区120，具有第二导电型，自基板110的上表面110A延伸入基板110中。第二发射极区150，具有第一导电型，且自基板110的上表面110A延伸入第一发射极区120中。基板110未形成有第一发射极区120、第二发射极区150、第一导电型集电极区230及第二导电型集电极区260的部分系作为第一导电型基极区190’。发射极电极170，与第一发射极区120及第二发射极区150电连接。栅极介电层130a，设于第一发射极区120、第二发射极区150与基板110上。栅极电极140，设于栅极介电层130a上。绝缘栅极双极性晶体管100可还包括重掺杂缓冲层200，具有第一导电型且设于第一导电型基极区190’中。

图8-17显示本发明另一实施例的绝缘栅极双极性晶体管300的制造步骤。有别于图1-7所示栅极介电层与栅极电极形成于第二发射极区、第一发射极区与基板上，本实施例中栅极介电层与栅极电极是形成于基板的沟槽(trench)中。应注意的是，后文中与前述相同或相似的元件或膜层将以相同或相似的标号表示，其材料、制造方法与功能皆与前述所述相同或相似，故此部分在后文中将不再赘述。

参见图8，首先提供一基板310。此基板310的材料可与前述基板110的材料相同。在一实施例中，此基板310可具有第一导电型。在一实施例中，此基板310具有第一导电型。例如，当第一导电型为N型时，此基板310可为轻掺杂N型基板。此外，基板310具有上表面310A及下表面310B。

接着，于基板310中形成第一发射极区320。此第一发射极区320具有第二导电型，且此第二导电型与第一导电型不同。此第一发射极区320自基板310的上表面310A延伸入基板310中，如图8所示。在本发明实施例中，第一发射极区320仅延伸入基板310的部分深度，亦即，此第一发射极区320的厚度T5小于基板310的厚度T4。此第一发射极区320可通过离子注入步骤形成。例如，当此第二导电型为P型时，可于预定形成此第一发射极区320的区域注入硼离子、铟离子或二氟化硼离子(BF₂ ⁺)。

参见图9，形成沟槽(trench)330。此沟槽330自基板310的上表面310A延伸穿越第一发射极区320至基板310中。

参见图10，顺应性形成栅极介电层340于沟槽330的侧壁与底部上，并形成栅极电极350于栅极介电层340上且填入沟槽330。在一实施例中，可先顺应性沉积一介电材料层于沟槽330的侧壁与底部上以及基板310的上表面310A上，接着毯覆性沉积一导电材料层于基板310的上表面310A上且填入沟槽330。接着，移除沟槽330外的介电材料层与导电材料层以分别形成栅极介电层340及栅极电极350。例如，可通过回刻蚀步骤或化学机械抛光步骤来移除沟槽330外的介电材料层与导电材料层。

上述介电材料层(用以形成栅极介电层340)可为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高介电常数(high-k)介电材料、或其它任何适合的介电材料、或上述的组合。此介电材料层可通过化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法形成。

前述导电材料层的材料(亦即栅极电极350的材料)可为非晶硅、多晶硅或上述的组合。且可通过化学气相沉积法(CVD)、溅射法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、或其它任何适合的沉积方式形成。

如图10所示，栅极介电层340直接接触第一发射极区320与基板310，而栅极电极350于栅极介电层340上且填入沟槽330。此栅极介电层340使栅极电极350与第一发射极区320、基板310及后续形成的第二发射极区电性绝缘。

接着，如图11所示，于第一发射极区320中形成第二发射极区360。此第二发射极区360具有第一导电型，例如，在一实施例中，此第二发射极区360为重掺杂第一导电型。此外，此第二发射极区360自基板310的上表面310A延伸入第一发射极区320中。在本发明实施例中，第二发射极区360仅延伸入第一发射极区320的部分深度，亦即，此第二发射极区360的厚度T6小于第一发射极区320的厚度T5。在一实施例中，此第二发射极区360可通过离子注入步骤形成。例如，当此第一导电型为N型时，可于预定形成此第二发射极区360的区域注入磷离子或砷离子。

接着，形成电极间介电层370于栅极电极350上，此电极间介电层370是用以将栅极电极350与后续形成的发射极电极电性绝缘。电极间介电层370可为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、旋涂式玻璃(SOG)、高密度的等离子体(highdensityplasma，HDP)沉积或其它任何适合的介电材料、或上述的组合。栅极介电层340可通过前述的化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法形成。

接着，参见图12，进行一接点刻蚀步骤蚀穿电极间介电层370及第二发射极区360以形成接点开口380。此刻蚀步骤可包括反应离子刻蚀(reactiveionetch，RIE)、等离子体刻蚀或其它合适的刻蚀步骤。接着，可选择性(optionally)进行一离子注入步骤以形成一第三发射极区390于第一发射极区320中。第三发射极区390可为重掺杂第二导电型。此外，本发明实施例中形成第三发射极区390的步骤并未使用额外的掩膜，因此可降低生产成本。

接着，参见图13，形成发射极电极400。此发射极电极400与第二发射极区360及第三发射极区390电连接，此发射极电极400又通过第三发射极区390耦接至第一发射极区320。且电极间介电层370设于栅极电极350与发射极电极400之间。电极间介电层370使栅极电极350与发射极电极400电性绝缘。发射极电极400可为单层或多层的金、铬、镍、铂、钛、铝、铱、铑、铜、上述的组合或其它导电性佳的金属材料(例如铝铜合金(AlCu)、铝硅铜合金(AlSiCu))。此发射极电极400可通过例如为溅射法、电镀法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、或其它任何适合的沉积制造工艺形成。

接着，于发射极电极400后，可选择性(optionally)薄化基板310(图式并未绘示薄化后的基板)。此薄化后的基板310的厚度会依操作电压及元件结构而有所不同。

如图13所示，基板310的底部为集电极预定区410，而基板310中除第一发射极区320、第二发射极区360、第三发射极区390以及集电极预定区410以外的区域是作为基极预定区420。而于薄化基板310之后，可选择性(optionally)形成重掺杂缓冲层430于基极预定区420中(亦即形成于后续的第一导电型基极区中)。此重掺杂缓冲层430具有第一导电型，且可用以进一步缩小最终形成的绝缘栅极双极性晶体管的尺寸。此重掺杂缓冲层430可通过离子注入步骤形成。例如，当此第一导电型为N型时，可于预定形成此重掺杂缓冲层430的区域注入磷离子或砷离子。

接着，参见图14，形成图案化掩膜层440于基板310的下表面310B上。此图案化掩膜层440可为图案化光阻或例如为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的图案化硬掩膜层。此图案化掩膜层440具有开口450露出预定形成第一导电型集电极区的基板310。

接着，经由开口450进行一离子注入步骤以形成第一导电型集电极区460于基板310之中，此第一导电型集电极区460自基板310的下表面310B延伸入基板310中。此第一导电型集电极区460可降低基板310中的与第二导电型对应的载子数量。例如，当第二导电型为P型时，可降低基板310中空穴的数量。

在一实施例中，当此第一导电型为N型时，可于预定形成第一导电型集电极区的基板310注入磷离子或砷离子以形成第一导电型集电极区460。此第一导电型集电极区460的宽度W6可为基板310宽度W7的约0.2-0.8倍，例如为约0.3-0.6倍。应注意的是，若此第一导电型集电极区460的宽度W6过宽，例如宽于基板310宽度W7的0.8倍，则基板310中与第二导电型对应的载子数量会过低，使导通电压增加。然而，若此第一导电型集电极区460的宽度W6过窄，例如窄于基板310宽度W7的0.2倍，则其无法有效降低基板310中与第二导电型对应的载子数量，导致其无法有效降低装置的关闭损失。

参见图15，于移除图案化掩膜层440后，毯覆性形成绝缘材料层470于基板310的下表面310B上。此绝缘材料层470可为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、旋涂式玻璃(SOG)、或其它任何适合的介电材料、或上述的组合。绝缘材料层470可通过前述的化学气相沉积法(CVD)或旋转涂布法以及前述的图案化步骤形成。在一实施例中，可使用四乙氧基硅烷(TEOS，tetraethyl-ortho-silicate)为反应气体，以等离子体增强(plasmaenhanced)的方式沉积法并配合图案化步骤以形成绝缘材料层470。在另一实施例中，绝缘材料层470可通过热氧化法直接毯覆性形成于基板310的下表面310B上。

接着，形成图案化掩膜层480于基板310的下表面310B上以遮蔽第一导电型集电极区460并露出预定形成第二导电型集电极区的基板310。此图案化掩膜层480可为图案化光阻或例如为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的图案化硬掩膜层。

接着，如图16所示，以图案化掩膜层480作为掩膜进行另一离子注入步骤以形成第二导电型集电极区490于基板310之中。此第二导电型集电极区490亦自基板310的下表面310B延伸入基板310中。此第二导电型集电极区490相邻于第一导电型集电极区460。在一实施例中，当此第二导电型为P型时，可于预定形成此第二导电型集电极区490的区域注入硼离子、铟离子或二氟化硼离子(BF₂ ⁺)。而基板310未形成有第一发射极区320、第二发射极区360、第三发射极区390、第一导电型集电极区460及第二导电型集电极区490的部分是作为第一导电型基极区420’。

接着，移除未被图案化掩膜层480遮蔽的部分绝缘材料层470，剩余的绝缘材料层470是作为集电极绝缘层500，此集电极绝缘层500设于第一导电型集电极区460上。

应注意的是，虽然前述步骤为先形成第二导电型集电极区490，再形成集电极绝缘层500。然而上述步骤亦可前后互换，亦即可先移除未被图案化掩膜层480遮蔽的部分绝缘材料层470以形成集电极绝缘层500，再进行离子注入步骤以形成第二导电型集电极区490于基板310之中。

此集电极绝缘层500的厚度只要能让集电极电极510与第一导电型集电极区420’之间电性绝缘即可，例如厚度大于10nm。另外，集电极绝缘层500的宽度W8可为基板310宽度W7的约0.2-0.8倍，例如为约0.3-0.6倍。在一实施例中，集电极绝缘层500的宽度W8可与第一导电型集电极区460的宽度W6相同。在另一实施例中，集电极绝缘层500的宽度W8可大于第一导电型集电极区460的宽度W6。在此实施例中，此集电极绝缘层500的宽度W8应不小于第一导电型集电极区460的宽度W6，否则其无法将第一导电型集电极区460及后续形成的集电极电极电性绝缘。

接着，参见图17，移除图案化掩膜层480，接着形成集电极电极510以完成绝缘栅极双极性晶体管300的制作。此集电极电极510电连接第二导电型集电极区490，且通过集电极绝缘层500与第一导电型集电极区460电性绝缘。集电极电极510可为单层或多层的金、铬、镍、铂、钛、铝、铱、铑、铜、上述的组合或其它导电性佳的金属材料(例如铝铜合金(AlCu)、铝硅铜合金(AlSiCu))。此集电极电极510可通过例如为溅射法、电镀法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、或其它任何适合的沉积制造工艺形成。

本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管300包括基板310，具有第一导电型，且具有上表面310A及下表面310B。第一导电型集电极区460及相邻的第二导电型集电极区490，自基板310的下表面310B延伸入基板310中，此第二导电型与第一导电型不同。集电极电极510，电连接第二导电型集电极区490，且通过集电极绝缘层与第一导电型集电极区460电性绝缘。第一发射极区320，具有第二导电型，且自基板310的上表面310A延伸入基板310中。第二发射极区360，具有第一导电型，且自基板310的上表面310A延伸入第一发射极区320中。而基板310未形成有第一发射极区320、第二发射极区360、第一导电型集电极区460及第二导电型集电极区490的部分是作为第一导电型基极区420’。发射极电极400，与第一发射极区320及第二发射极区360电连接。沟槽330，自基板310的上表面310A延伸穿越第一发射极区320与第二发射极区360并进入基板310中。栅极介电层340，内衬于沟槽330的侧壁与底部。栅极电极350，设于栅极介电层340上且填入沟槽330。电极间介电层370，设于栅极电极350与发射极电极400之间。绝缘栅极双极性晶体管300可还包括重掺杂缓冲层430，具有第一导电型且设于第一导电型基极区420’中。

应注意的是，虽然在以上的实施例中，皆以第一导电型为N型，第二导电型为P型说明，然而，任何所属技术领域中技术人员可知此第一导电型亦可为P型，而第二导电型可为N型。

表1

表1显示本发明实施例与比较例的绝缘栅极双极性晶体管的性能比较，而图18是本发明一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。此分析是由电脑软件(TechnologyComputerAidedDesign，TCAD)模拟所得。比较例1的绝缘栅极双极性晶体管(比较例1的IGBT)与本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管的差异在于其不具有第一导电型集电极区及集电极绝缘层，而比较例2的反向导通绝缘栅极双极性晶体管(reverseconductingIGBT，RC-IGBT)与本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管的差异在于其不具有集电极绝缘层。图18显示将本发明一实施例的绝缘栅极双极性晶体管(本发明一实施例的IGBT)、比较例1的绝缘栅极双极性晶体管(比较例1的IGBT)及比较例2的反向导通绝缘栅极双极性晶体管(reverseconductingIGBT，RC-IGBT)施予相同电压，并同时关闭电压时，本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管的电流的关闭时间为180ns，而比较例2的反向导通绝缘栅极双极性晶体管(比较例2的RC-IGBT)的关闭时间为370ns，比较例1的绝缘栅极双极性晶体管(比较例1的IGBT)的关闭时间为435ns。由此可知，本发明一实施例的绝缘栅极双极性晶体管的集电极结构可大幅降低装置的关闭时间。

图19是本发明实施例与比较例的绝缘栅极双极性晶体管在关闭状态下的击穿电压分析图。此分析是由电脑软件(TechnologyComputerAidedDesign，TCAD)模拟所得。图19显示本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管的电流的击穿电压为1375V，而比较例2的反向导通绝缘栅极双极性晶体管(比较例2的RC-IGBT)的击穿电压为1375V，比较例1的绝缘栅极双极性晶体管(比较例1的IGBT)的击穿电压为1250V。由此可知，本发明一实施例的绝缘栅极双极性晶体管在降低装置的关闭时间的同时不会影响其击穿电压。

再者，由表1可知，本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管的电流的导通电压为2.5V，而比较例2的反向导通绝缘栅极双极性晶体管(比较例2的RC-IGBT)的导通电压为2.5V，比较例1的绝缘栅极双极性晶体管(比较例1的IGBT)的导通电压为2.65V。此外，本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管的电流的闩锁电流密度(latchupcurrentdensity)为1600A/cm²，而比较例2的反向导通绝缘栅极双极性晶体管(比较例2的RC-IGBT)的闩锁电流密度为1600A/cm²，比较例1的绝缘栅极双极性晶体管(比较例1的IGBT)的闩锁电流密度为1500A/cm²。由此可知，本发明一实施例的绝缘栅极双极性晶体管在降低装置的关闭时间的同时不会影响其导通电压(onvoltage)与闩锁电流密度(latchupcurrentdensity)。

综上所述，本发明实施例的绝缘栅极双极性晶体管可降低关闭损失(turn-offloss)，且同时不影响导通电压(onvoltage)、击穿电压及闩锁电流密度(latchupcurrentdensity)。此外，由于关闭损失的降低，当装置关闭后，流动的载子可快速减少，因此可更进一步缩短装置的开关时间(switchingtime)，大幅增进装置的性能。

虽然本发明的实施例及其优点已揭露如上，但应该了解的是，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动、替代与润饰。此外，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的制造工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中技术人员可从本发明揭示内容中理解现行或未来所发展出的制造工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果皆可根据本发明使用。因此，本发明的保护范围包括上述制造工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本发明的保护范围也包括各个权利要求及实施例的组合。

Claims (14)

1.一种绝缘栅极双极性晶体管，其特征在于，该绝缘栅极双极性晶体管包括：

一基板，具有一第一导电型，且具有一上表面及一下表面；

一第一导电型集电极区及相邻的一第二导电型集电极区，自该基板的下表面延伸入该基板中，其中该第二导电型与该第一导电型不同；

一集电极电极，电连接该第二导电型集电极区，且通过一集电极绝缘层与该第一导电型集电极区电性绝缘；

一第一发射极区，具有该第二导电型，自该基板的上表面延伸入该基板中；

一第二发射极区，具有该第一导电型，且自该基板的上表面延伸入该第一发射极区中，其中该基板未形成有该第一发射极区、该第二发射极区、该第一导电型集电极区及该第二导电型集电极区的部分是作为一第一导电型基极区；

一发射极电极，与该第一发射极区及该第二发射极区电连接；

一栅极介电层，设于该第一发射极区、该第二发射极区与该基板上；及

一栅极电极，设于该栅极介电层上。

2.如权利要求1所述的绝缘栅极双极性晶体管，其特征在于，该集电极绝缘层的材料包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

3.如权利要求1所述的绝缘栅极双极性晶体管，其特征在于，该集电极绝缘层的厚度大于10nm。

4.如权利要求1所述的绝缘栅极双极性晶体管，其特征在于，该集电极绝缘层的宽度为该基板宽度的0.2-0.8倍。

5.如权利要求1所述的绝缘栅极双极性晶体管，其特征在于，还包括一重掺杂缓冲层，具有该第一导电型且设于该第一导电型基极区中。

6.一种绝缘栅极双极性晶体管，其特征在于，该绝缘栅极双极性晶体管包括：

一基板，具有一第一导电型，且具有一上表面及一下表面；

一第一导电型集电极区及相邻的一第二导电型集电极区，自该基板的下表面延伸入该基板中，其中该第二导电型与该第一导电型不同；

一集电极电极，电连接该第二导电型集电极区，且通过一集电极绝缘层与该第一导电型集电极区电性绝缘；

一第一发射极区，具有该第二导电型，且自该基板的上表面延伸入该基板中；

一第二发射极区，具有该第一导电型，且自该基板的上表面延伸入该第一发射极区中，其中该基板未形成有该第一发射极区、该第二发射极区、该第一导电型集电极区及该第二导电型集电极区的部分是作为一第一导电型基极区；

一发射极电极，与该第一发射极区及该第二发射极区电连接；

一沟槽，自该基板的上表面延伸穿越该第一发射极区与该第二发射极区并进入该基板中；

一栅极介电层，内衬于该沟槽的侧壁与底部；

一栅极电极，设于该栅极介电层上且填入该沟槽；及

一电极间介电层，设于该栅极电极与该发射极电极之间。

7.如权利要求6所述的绝缘栅极双极性晶体管，其特征在于，还包括一重掺杂缓冲层，具有该第一导电型且设于该第一导电型基极区中。

8.一种绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，其特征在于，该绝缘栅极双极性晶体管的制造方法包括：

提供一基板，具有一第一导电型，且具有一上表面及一下表面；

形成一第一发射极区，具有一第二导电型，自该基板的上表面延伸入该基板中，且该第二导电型与该第一导电型不同；

形成一栅极介电层于该第一发射极区与该基板上；

形成一栅极电极于该栅极介电层上；

形成一第二发射极区，该第二发射极区具有该第一导电型，且自该基板的上表面延伸入该第一发射极区中；

形成一发射极电极，该发射极电极与该第一发射极区及该第二发射极区电连接；

形成一第一导电型集电极区，自该基板的下表面延伸入该基板中；

形成一集电极绝缘层于该第一导电型集电极区上；

形成一第二导电型集电极区相邻于该第一导电型集电极区，其中该基板未形成有该第一发射极区、该第二发射极区、该第一导电型集电极区及该第二导电型集电极区的部分是作为一第一导电型基极区；以及

形成一集电极电极，该集电极电极电连接该第二导电型集电极区，且通过该集电极绝缘层与该第一导电型集电极区电性绝缘。

9.如权利要求8所述的绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，其特征在于，该集电极绝缘层的材料包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

10.如权利要求8所述的绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，其特征在于，该集电极绝缘层的厚度大于10nm。

11.如权利要求8所述的绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，其特征在于，该集电极绝缘层的宽度为该基板宽度的0.2-0.8倍。

12.如权利要求8所述的绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，其特征在于，还包括形成一重掺杂缓冲层于该第一导电型基极区中，其中该重掺杂缓冲层具有第一导电型。

13.一种绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，其特征在于，该绝缘栅极双极性晶体管的制造方法包括：

提供一基板，具有一第一导电型，且具有一上表面及一下表面；

形成一第一发射极区，具有一第二导电型，且自该基板的上表面延伸入该基板中，且该第二导电型与该第一导电型不同；

形成一沟槽，自该基板的上表面延伸穿越该第一发射极区至该基板中；

顺应性形成一栅极介电层于该沟槽的侧壁与底部上；

形成一栅极电极于该栅极介电层上且填入该沟槽；

形成一第二发射极区，该第二发射极区具有该第一导电型，且自该基板的上表面延伸入该第一发射极区中；

形成一电极间介电层于该栅极电极上；

形成一发射极电极，该发射极电极与该第一发射极区及该第二发射极区电连接，且该电极间介电层设于该栅极电极与该发射极电极之间；

形成一第一导电型集电极区，自该基板的下表面延伸入该基板中；

形成一集电极绝缘层于该第一导电型集电极区上；

形成一第二导电型集电极区相邻于该第一导电型集电极区，其中该基板未形成有该第一发射极区、该第二发射极区、该第一导电型集电极区及该第二导电型集电极区的部分是作为一第一导电型基极区；以及

形成一集电极电极，该集电极电极电连接该第二导电型集电极区，且通过该集电极绝缘层与该第一导电型集电极区电性绝缘。

14.如权利要求13所述的绝缘栅极双极性晶体管的制造方法，其特征在于，还包括于形成一重掺杂缓冲层于该第一导电型基极区中，其中该重掺杂缓冲层具有该第一导电型。