絕緣柵極雙極性晶體管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明實施例是有關(guān)于一種絕緣柵極雙極性晶體管及其制造方法，特別是有關(guān)于一種改善閂鎖現(xiàn)象(Latch-up)的絕緣柵極雙極性晶體管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前電源管理集成電路(powermanagement integrated circuit, PMIC)最常應(yīng)用絕緣柵極雙極性晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)作為開關(guān)元件。IGBT結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)的驅(qū)動電流小及快速切換的特性與雙極性晶體管(BJT)的耐高電流與導(dǎo)通電阻小特性。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)地發(fā)展低關(guān)閉損耗(turn-off loss)及低導(dǎo)通電壓(on-voltage,Vce on)的IGBT。然而，現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的導(dǎo)通電壓與關(guān)閉損耗之間難以權(quán)衡。當(dāng)降低IGBT的導(dǎo)通電壓時，會增加IGBT的關(guān)閉損耗。反之，當(dāng)降低IGBT的關(guān)閉損耗時，會增加IGBT的導(dǎo)通電壓。
[0003]IGBT在集極與射極之間有一個寄生PNPN晶體閘流管(thyristors)。當(dāng)晶體閘流管導(dǎo)通時，會使集極與射極之間的電流量增加，對等效M0SFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。上述晶體閘流管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為閂鎖現(xiàn)象。
[0004]因此，在此技術(shù)領(lǐng)域中，有需要一種新穎的絕緣柵極雙極性晶體管及其制造方法，以改善上述缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種絕緣柵極雙極性晶體管，以改善閂鎖現(xiàn)象。
[0006]本發(fā)明的一實施例提供一種絕緣柵極雙極性晶體管。上述絕緣柵極雙極性晶體管包括一主體，具有一頂面和一底面；一漂移區(qū)，位于上述主體內(nèi)，且接近于上述主體的上述頂面，其中上述漂移區(qū)具有一第一導(dǎo)電類型；一集極區(qū)，從上述主體的上述底面延伸至部分上述主體中，其中上述集極區(qū)具有相對于上述第一導(dǎo)電類型的一第二導(dǎo)電類型；一第一柵極結(jié)構(gòu)、一第二柵極結(jié)構(gòu)和一第三柵極結(jié)構(gòu)，位于上述漂移區(qū)上，且彼此隔開；一第一井區(qū)，位于上述漂移區(qū)上，且位于上述第一柵極結(jié)構(gòu)和上述第二柵極結(jié)構(gòu)之間，其中上述第一井區(qū)具有上述第二導(dǎo)電類型；一第二井區(qū)，位于上述漂移區(qū)上，且位于上述第一柵極結(jié)構(gòu)和上述第三柵極結(jié)構(gòu)之間，其中上述第二井區(qū)具有上述第二導(dǎo)電類型；一第一射極區(qū)，從上述主體的上述頂面延伸至上述第一井區(qū)中，其中上述第一射極區(qū)具有上述第一導(dǎo)電類型；一第二射極區(qū)，從上述主體的上述頂面延伸至上述第二井區(qū)中，其中上述第二射極區(qū)具有上述第一導(dǎo)電類型，其中上述第一射極區(qū)與上述第二射極區(qū)電連接，其中從上述第一射極區(qū)與上述第一井區(qū)之間沿一方向的一第一界面至上述第一井區(qū)與上述漂移區(qū)之間沿該方向的一第二界面的一第一距離不同于從上述第二射極區(qū)與上述第二井區(qū)之間沿該方向的一第三界面至上述第二井區(qū)與上述漂移區(qū)之間沿該方向的一第四界面的一第二距離。
[0007]本發(fā)明的另一實施例提供一種絕緣柵極雙極性晶體管。上述絕緣柵極雙極性晶體管包括一漂移區(qū)，具有一第一導(dǎo)電類型，上述漂移區(qū)具有一第一側(cè)與相對于上述第一側(cè)的一第二側(cè)；一集極區(qū)，具有相對于上述第一導(dǎo)電類型的一第二導(dǎo)電類型，上述集極區(qū)位于上述漂移區(qū)的上述第一側(cè)；一第一柵極結(jié)構(gòu)、一第二柵極結(jié)構(gòu)和一第三柵極結(jié)構(gòu)，彼此隔開，其中上述第一柵極結(jié)構(gòu)、上述第二柵極結(jié)構(gòu)和上述第三柵極結(jié)構(gòu)位于上述漂移區(qū)的上述第二側(cè)；一第一井區(qū)，位于上述漂移區(qū)上，且位于上述第一柵極結(jié)構(gòu)和上述第二柵極結(jié)構(gòu)之間，其中上述第一井區(qū)具有上述第二導(dǎo)電類型；一第二井區(qū)，位于上述漂移區(qū)上，且位于上述第一柵極結(jié)構(gòu)和上述第三柵極結(jié)構(gòu)之間，其中上述第二井區(qū)具有上述第二導(dǎo)電類型；其中上述第一井區(qū)沿一方向的一第一長度大于上述第二井區(qū)沿上述方向的一第二長度。一第一射極區(qū)，位于上述第一井區(qū)中，其中上述第一射極區(qū)具有上述第一導(dǎo)電類型；一第二射極區(qū)，位于上述第二井區(qū)中，其中上述第二射極區(qū)具有上述第一導(dǎo)電類型，其中上述第一射極區(qū)與上述第二射極區(qū)電連接。
[0008]本發(fā)明的又一實施例提供一種絕緣柵極雙極性晶體管的制造方法。上述絕緣柵極雙極性晶體管的制造方法包括于一具有第一導(dǎo)電型摻雜的半導(dǎo)體層中摻雜一第二導(dǎo)電類型的摻質(zhì)，以形成具有上述第二導(dǎo)電類型的一第一井區(qū)；于上述半導(dǎo)體層上定義一第一柵極結(jié)構(gòu)、一第二柵極結(jié)構(gòu)以及一第三柵極結(jié)構(gòu)，其中上述第一井區(qū)位于上述第一柵極結(jié)構(gòu)與上述第二柵極結(jié)構(gòu)之間；于上述第一柵極結(jié)構(gòu)與上述第三柵極結(jié)構(gòu)之間的上述半導(dǎo)體層中摻雜上述第二導(dǎo)電類型的摻質(zhì)，以形成具有上述第二導(dǎo)電類型的一第二井區(qū)，其中上述第一井區(qū)沿一方向的一第一長度大于上述第二井區(qū)沿上述方向的一第二長度；利用一摻雜方式，分別于上述第一井區(qū)與上述第二井區(qū)中形成一第一射極區(qū)與一第二射極區(qū)；于上述半導(dǎo)體層相對于上述第一井區(qū)與上述第二井區(qū)的一側(cè)形成一集極區(qū)；其中，上述第一井區(qū)與第二井區(qū)分別與接觸至少上述第一柵極結(jié)構(gòu)、上述第二柵極結(jié)構(gòu)與上述第三柵極結(jié)構(gòu)之一，以于上述第一井區(qū)與上述第二井區(qū)中分別形成一第一半導(dǎo)體通道與一第二半導(dǎo)體通道。
【附圖說明】
[0009]圖1?6顯示本發(fā)明一些實施例的絕緣柵極雙極性晶體管的剖面示意圖。
[0010]圖7為本發(fā)明一些實施例的絕緣柵極雙極性晶體管的制造工藝流程圖。
[0011]符號說明:
[0012]500a ?500f ?IGBT ;
[0013]200 ?主體；
[0014]201 ?頂面；
[0015]202?漂移區(qū)；
[0016]203 ?底面；
[0017]204?緩沖區(qū)；
[0018]205、207 ?表面；
[0019]206?集極區(qū)；
[0020]208、208a、208b ?第一井區(qū)；
[0021]210、210a、210b ?第二井區(qū)；
[0022]212、212a、212b ?第二射極區(qū)；
[0023]214、214a、214b ?第一射極區(qū)；
[0024]216、216a、216b?第二射極接觸區(qū)；
[0025]217、217a、217b ?第二溝槽；
[0026]218、218a、218b?第一射極接觸區(qū)；
[0027]219、219a、219b ?第一溝槽；
[0028]220a?第一柵極溝槽；
[0029]220b?第二柵極溝槽；
[0030]220c?第三柵極溝槽；
[0031]222a、222b、222c、222d、222e、322a、322b、522a、522b、522c、522d、522e ?柵極絕緣層；
[0032]224a、224b、224c、224d、224e、324a、324b、524a、524b、524c、524d、524e ?柵極；
[0033]226a、326a、526a、626a ?第一極極結(jié)構(gòu)；
[0034]226b、326b、526b、626b ?第二柵極結(jié)構(gòu)；
[0035]226c、526c?第三柵極結(jié)構(gòu)；
[0036]226d、526d?第四柵極結(jié)構(gòu)；
[0037]226e、526e?第五柵極結(jié)構(gòu)；
[0038]227a、227b、227c、227d、227e、327a、327b ?側(cè)壁；
[0039]229a、229b、229c、229d、229e、329a、329b ?底面；
[0040]230、230a、230b、232、232a、232b、234、234a、234b、236、236a、236b、330、330a、330b、332、332a、332b、334、334a、334b、336、336a、336b ?界面；
[0041]240、242 ?方向；
[0042]246,246a,246b ?第二接觸插塞；
[0043]248、248a、248b ?第一接觸插塞；
[0044]250?介電層；
[0045]A1、A2、C1、C2 ?距離；
[0046]B1、B2、D1、D2 ?深度；
[0047]W1、W2 ?寬度。
【具體實施方式】
[0048]為了讓本發(fā)明的目的、特征、及優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖示，做詳細(xì)的說明。本發(fā)明說明書提供不同的實施例來說明本發(fā)明不同實施方式的技術(shù)特征。其中，實施例中的各元件的配置為說明之用，并非用以限制本發(fā)明。且實施例中圖示標(biāo)號的部分重復(fù)，是為了簡化說明，并非意指不同實施例之間的關(guān)聯(lián)性。
[0049]本發(fā)明實施例提供一種絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)及其制造方法。本發(fā)明實施例的IGBT可為垂直式IGBT或水平式IGBT。在IGBT為垂直式IGBT的實施例中，在操作上述IGBT時，會在柵極結(jié)構(gòu)和N型射極區(qū)之間施加一預(yù)定電壓，而會于P型基極層中沿容納柵極結(jié)構(gòu)的柵極溝槽側(cè)壁的位置形成通道(channel)。因此，IGBT的集極和射極會導(dǎo)通而使電流通過上述通道，且上述預(yù)定電壓即集極-射極導(dǎo)通電壓(collector-emitter turnon voltage (Vce (on)))。本發(fā)明實施例的IGBT于柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別設(shè)置不同深(寬)度的P型井區(qū)，以作為P型基極層。上述兩個不同深(寬)度的P型井區(qū)會分別與設(shè)置于其上的N型射極區(qū)之間相距不同的垂直(水平)距離，使IGBT具有兩種不同的通道長度。本發(fā)明實施例的IGBT的深度較淺(寬度較小)的P型井區(qū)(P型基極層)可進一步縮短從集極至射極的電流路徑，以進一步降低IGBT的集極-射極導(dǎo)通電壓。并且，本發(fā)明實施例的IGBT可提升擊穿電壓，降低關(guān)閉損耗且具有較佳的閂鎖現(xiàn)象電流密度。
[0050]圖1顯示本發(fā)明一實施例的一 IGBT 500a的剖面示意圖。在本實施例中，IGBT500a可視為一垂直式IGBT的單位晶胞(unit cell)。因此，可依設(shè)計周期性設(shè)置多個IGBT 500a以形成一 IGBT陣列(IGBT array)。在本發(fā)明一實施例中，可依設(shè)計重復(fù)設(shè)置同方向的單位晶胞(IGBT 500a)。在本發(fā)明另一實施例中，可依設(shè)計交錯設(shè)置鏡向前與鏡向后的單位晶胞(IGBT 500a)，使其兩兩成對且彼此對稱。請參考圖1，IGBT500a可包括一主體200，其具有一頂面201和一底面203。
[0051]主體200內(nèi)包括一漂移區(qū)202、一集極區(qū)206、一緩沖區(qū)204。漂移區(qū)202接近于上述主體200的頂面201，且漂移區(qū)202具有一第一導(dǎo)電類型。集極區(qū)206從上述主體200的底面203延伸至部分主體200中，且集極區(qū)206具有相對于上述第一導(dǎo)電類型的一第二導(dǎo)電類型。緩沖區(qū)204位于漂移區(qū)202和集極區(qū)206之間，且緩沖區(qū)204的兩個彼此相對的表面205、207分別與漂移區(qū)202和集極區(qū)206接觸，其中緩沖區(qū)204具有第一導(dǎo)電類型。在本發(fā)明一實施例中，可利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)或分子束外延法(MBE)形成漂移區(qū)202、集極區(qū)206和緩沖區(qū)204。在此實施例中，可采用一具有第二導(dǎo)電類型(例如P型)的基板，于此基板上以上述方式形成漂移區(qū)202及緩沖區(qū)204。值得注意的是，說明書描述的“第一導(dǎo)電類型”和“第二導(dǎo)電類型”互為相反的導(dǎo)電類型。舉例來說，當(dāng)“第一導(dǎo)電類型”為η型，則”第二導(dǎo)電類型”為Ρ型。或者，當(dāng)“第一導(dǎo)電類型”為Ρ型，則“第二導(dǎo)電類型”為η型。在本發(fā)明一實施例中，“第一導(dǎo)電類型”為η型，而“第二導(dǎo)電類型”為ρ型。
[0052]如圖1所示，IGBT 500a還包括一第一柵極結(jié)構(gòu)226a、一第二柵極結(jié)構(gòu)226b和一第三柵極結(jié)構(gòu)226c (以下簡稱柵極結(jié)構(gòu)226a?226c)，位于漂移區(qū)202上，且彼此隔開。柵極結(jié)構(gòu)(第一柵極結(jié)構(gòu)226a、第二柵極結(jié)構(gòu)226b和第三柵極結(jié)構(gòu)226c)電連接至柵極電極(Gate electrode) 0柵極結(jié)構(gòu)(第一柵極結(jié)構(gòu)226a、第二柵極結(jié)構(gòu)226b和第三柵極結(jié)構(gòu)226c)接近主體200的頂面201。IGBT 500a還包括一第一柵極溝槽2