WO2018117238A1 - 半導体装置 - Google Patents

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WO2018117238A1
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sense
main
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山本　剛
健太 合田
峻丞 原田
中山　喜明
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株式会社デンソー
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    • H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
    • H01L29/7396—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions
    • H01L29/7397—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device having a double gate trench vertical semiconductor switching element having the same structure in a main cell region and a sense cell region, and detecting a current flowing in the main cell by the sense cell.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor device that has a vertical semiconductor switching element of a trench gate having a double-layer structure having the same structure in a main cell region and a sense cell region, and detects a current flowing in the main cell by the sense cell. Has been.
  • This semiconductor device has a structure in which the trench gate has a two-layer structure, a shield electrode that is set at the source potential is disposed on the bottom side of the trench, and a gate electrode layer is disposed on the upper side of the shield electrode in the trench. Then, a trench is formed in a line shape having one direction as a longitudinal direction, and the trench is divided in the longitudinal direction, so that the gate electrode layer and the shield electrode in each trench are divided by the main cell and the sense cell. In order to make contact with the shield electrode, the shield electrode is formed up to the surface of the semiconductor substrate at the tip of the trench, and the shield electrode extends to the tip of the trench rather than the gate electrode layer. I am doing so. That is, a contact part of the shield electrode of the sense cell is formed between the main cell and the sense cell.
  • the shield electrode of the sense cell is projected between the main cell and the sense cell, and the contact portion of the shield electrode is formed at the projected portion. For this reason, the distance between the main cell and the sense cell becomes long, and there is a problem that the accuracy of current detection by the sense cell is lowered.
  • the current detection by the sense cell can be performed with high accuracy.
  • the distance between the main cell and the sense cell is increased, the current spreads and flows also in the planar direction of the semiconductor substrate, that is, in the lateral direction so as to be diffused therebetween.
  • the main cell having a large area is not significantly affected by the current flow in the lateral direction, and the current flows uniformly in the thickness direction of the semiconductor substrate, that is, in the vertical direction.
  • the current does not flow uniformly in the vertical direction under the influence of the current flow. Therefore, the accuracy of current detection by the sense cell is lowered.
  • the current ratio between the main cell and the sense cell when the gate voltage is applied may change without being constant.
  • the amount of change from the reference accuracy when the gate voltage deviates from the desired voltage is obtained using the accuracy of current detection by the sense cell when the gate voltage is as desired as the reference accuracy
  • the amount increases as the distance between the main cell and the sense cell increases.
  • the amount of change from the reference accuracy also changes depending on the operating temperature of the semiconductor device. Even at the same operating temperature, the amount of change from the reference accuracy increases as the distance between the main cell and the sense cell increases.
  • a semiconductor device includes a main cell region including a semiconductor switching element and a sense cell region, and the semiconductor switching element formed in the main cell region is formed by the semiconductor switching element formed in the sense cell region. The flowing current is detected.
  • the semiconductor switching element is formed in a first conductivity type drift layer, a second conductivity type channel layer formed on the drift layer, and a surface layer portion of the channel layer in the channel layer.
  • the first or second conductivity type second impurity region and the upper electrode electrically connected to the first impurity region and the channel layer and electrically connected to the shield electrode It is configured to have a gate liner is connected to the gate electrode layer and electrically, a lower electrode is electrically connected to the second impurity region.
  • the trench is continuously connected so as to reach the main cell region and the sense cell region, and in the connected trench, the shield electrode and the gate electrode layer are also continuously provided so as to reach the main cell region and the sense cell region.
  • the shield electrode is electrically connected to the upper electrode by extending to the side away from the sense cell region in the main cell region on one end side in the longitudinal direction of the trench, and the gate electrode
  • the layer is electrically connected to the gate liner by extending to the side away from the sense cell region in the main cell region on the other end side in the longitudinal direction of the trench.
  • FIG. 1 is a top layout view of a semiconductor device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 1.
  • the semiconductor device includes a main cell region Rm and a sense cell region Rs.
  • the main cell region Rm has a rectangular frame shape with a part cut away, and the sense cell region Rs is disposed in the main cell region Rm and is formed so as to be surrounded by the main cell region Rm.
  • n-channel type vertical MOSFETs having the same structure are formed.
  • the semiconductor device is formed by using an n + type semiconductor substrate 1 made of a semiconductor material such as silicon having a high impurity concentration.
  • n + -type impurity concentration than the semiconductor substrate 1 is a low density - type drift layer 2 is formed, n - the desired type drift layer 2 A channel p-type layer 3 having a relatively low impurity concentration is formed at the position.
  • the channel p-type layer 3 is formed by ion-implanting p-type impurities into the n ⁇ -type drift layer 2.
  • the channel p-type layer 3 is divided into a main channel layer 3a formed in the main cell region Rm and a sense channel layer 3b formed in the sense cell region Rs. As shown in FIG. In the longitudinal direction, there is a predetermined distance between them. As shown in FIG. 2, since the trench gate structure is provided between the main channel layer 3a and the sense channel layer 3b, the structures are separated from each other even in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the trench gate structure. ing.
  • the surface layer portion of the channel p-type layer 3 is provided with an n + -type impurity region 4 corresponding to a source region having an impurity concentration higher than that of the n ⁇ -type drift layer 2. Then, a trench 5 is formed which reaches the n ⁇ type drift layer 2 through the n + type impurity region 4 and the channel p type layer 3 from the substrate surface side.
  • a gate insulating film 6 is formed so as to cover the inner wall surface of the trench 5, and a shield electrode 7 and a gate electrode layer 8 made of doped Poly-Si are formed in the trench 5 through the gate insulating film 6. The two layers are laminated.
  • the shield electrode 7 is formed in order to reduce the gate-drain capacitance and improve the electrical characteristics of the MOSFET by being fixed at the source potential.
  • the gate electrode layer 8 performs a switching operation of the MOSFET, and forms a channel in the channel p-type layer 3 on the side surface of the trench 5 when a gate voltage is applied.
  • An insulating film 9 is formed between the shield electrode 7 and the gate electrode layer 8, and the shield electrode 7 and the gate electrode layer 8 are insulated by the insulating film 9.
  • These trench 5, gate insulating film 6, shield electrode 7, gate electrode layer 8 and insulating film 9 constitute a trench gate structure.
  • the trench gate structure has, for example, a striped layout by arranging a plurality of lines in the horizontal direction in FIG. 1 and FIG. 3 and in the horizontal direction in FIG. ing.
  • no trench gate structure is formed between the main cell region Rm and the sense cell region Rs.
  • the interval between adjacent trench gate structures is larger than the interval between trench gate structures in the main cell region Rm or the sense cell region Rs.
  • the trench 5 is in a state where the main cell region Rm and the sense cell region Rs are continuously connected.
  • the shield electrode 7 and the gate electrode layer 8 embedded in the trench 5 are also continuously connected so as to reach both the main cell region Rm and the sense cell region Rs.
  • the shield electrode 7 is located outside the main cell region Rm from the gate electrode layer 8, that is, the main cell region Rm. Among these, it extends to the side away from the sense region.
  • the shield electrode 7 is exposed from the surface of the channel p-type layer 3 using the shield electrode 7 as a shield liner 7a.
  • the gate electrode layer 8 is outside the main cell region Rm from the shield electrode 7, that is, the main cell region. Rm extends to the side away from the sense region.
  • the gate electrode layer 8 is exposed from the surface of the channel p-type layer 3 using that portion as a gate liner 8a.
  • a part of the gate electrode layer 8 is a protrusion 8 b.
  • the protrusion 8 b protrudes above the n + -type impurity region 4.
  • the protrusion 8b has the same configuration as that of the gate liner 8a, and is formed between the main cell region Rm and the sense cell region Rs.
  • the protrusion 8b is used as a mask when the channel p-type layer 3 is formed by ion implantation, and is formed at a position corresponding to between the main channel layer 3a and the sense channel layer 3b. That is, the protrusions 8b are formed on both sides of the sense cell region Rs.
  • a gate insulating film 6 and an interlayer insulating film 13 described later are disposed between the protruding portion 8b and the channel p-type layer 3 positioned below the protruding portion 8b, and the protruding portion 8b, the gate electrode layer 8 and the channel p.
  • the mold layer 3 is insulated.
  • an interlayer insulating film 13 made of an oxide film or the like is formed so as to cover the gate electrode layer 8, and the upper electrode 10 and the gate electrode 11 corresponding to the source electrode are formed on the interlayer insulating film 13. .
  • the upper electrode 10 is electrically connected to the n + -type impurity region 4 and the channel p-type layer 3 through a portion where the interlayer insulating film 13 is not formed, for example, a contact hole.
  • the gate electrode 11 is also electrically connected to the gate electrode layer 8 through a gate liner 8a through a portion where the interlayer insulating film 13 is not formed, for example, a contact hole.
  • the upper electrode 10 is divided into a main electrode 10a formed in the main cell region Rm and a sense electrode 10b formed in the sense cell region Rs, and these are separated by a predetermined distance.
  • the main electrode 10a is formed over almost the entire area of the main cell region Rm, and has a rectangular frame shape with a part cut away.
  • the sense electrode 10b has a rectangular shape and is disposed so as to be surrounded by the main electrode 10a.
  • One side of the sense electrode 10b is connected to the lead wiring 10c, and is drawn to the outside of the main cell region Rm through a notch formed in the main electrode 10a.
  • a lower electrode 12 corresponding to a drain electrode is formed on the surface of the n + type semiconductor substrate 1 opposite to the n ⁇ type drift layer 2.
  • a semiconductor device having a vertical MOSFET is configured.
  • a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described. However, the manufacturing method different from the conventional one in the semiconductor device according to the present embodiment will be described, and the same parts as the conventional one will be described in a simplified manner.
  • a semiconductor substrate 1 is prepared, and an n ⁇ type drift layer 2 is epitaxially grown on the surface of the semiconductor substrate 1.
  • a mask (not shown) in which a region where the trench 5 is to be formed is opened is disposed, and the trench 5 is formed by etching using the mask.
  • the gate insulating film 6 is formed on the surface of the n ⁇ type drift layer 2 including the inner wall surface of the trench 5 by thermal oxidation or the like, the bottom of the trench 5 or the trench 5 is etched by laminating polysilicon.
  • the shield electrode 7 is formed by leaving only at one end.
  • a channel p-type layer 3 is formed by ion implantation of p-type impurities.
  • the protruding portion 8b is formed by a part of the gate electrode layer 8
  • the protruding portion 8b is used as a mask to block ion implantation of the p-type impurity, and the portion where the protruding portion 8b is formed
  • the channel p-type layer 3 is not formed.
  • the main channel layer 3a can be formed in the main cell region Rm, and the sense channel layer 3b can be formed in the sense cell region Rs, and these can be separated from each other.
  • the semiconductor device having the vertical MOSFET according to the present embodiment is subjected to a step of forming an interlayer insulating film 13, a step of forming a contact hole, a step of forming an upper electrode 10 and a gate liner 8a, and a step of forming a lower electrode 12. Is completed.
  • the trench 5 is continuously connected so as to reach both the main cell region Rm and the sense cell region Rs, and the shield electrode 7 and the gate electrode layer 8 are both the main cell region Rm and the sense cell region Rs. It is made to form continuously so that it may reach.
  • the channel p-type layer 3 is divided in the main cell region Rm and the sense cell region Rs by forming a part of the gate electrode layer 8 as the protruding portion 8b, and the main channel layer 3a and the sense channel region Rs.
  • the channel layer 3b is formed. If the protrusion 8b is not provided, a mask (not shown) that covers between the main channel layer 3a and the sense channel layer 3b is formed at the time of p-type impurity ion implantation when the channel p-type layer 3 is formed. After that, it is necessary to perform ion implantation.
  • the protrusion 8b is formed by a part of the gate electrode layer 8 as in the present embodiment, the protrusion 8b can be used as a mask, and it is not necessary to form a mask again. Become. Therefore, it is possible to simplify the manufacturing process of the semiconductor device.
  • the protrusion 8b can be formed by a mask common to the gate liner 8a disposed outside the main cell region Rm, it is not necessary to prepare a mask only for forming the protrusion 8b. The manufacturing process can be shared. Therefore, it is possible to reduce the manufacturing cost.
  • the sense cell region Rs is surrounded by the main cell region Rm. Therefore, the operation of the sense cell region Rs can be made more uniform and the accuracy of the sense cell can be further improved as compared with the case where the main cell region Rm is not present around the sense cell region Rs.
  • the protrusion 8b is provided on a part of the gate electrode layer 8, and serves as a mask for partitioning the main channel layer 3a and the sense channel layer 3b during ion implantation. I did it.
  • the protrusion 8b is not provided in a part of the gate electrode layer 8, but a mask is formed as a separate process from the process of forming the gate electrode layer 8, and the main channel layer is used during ion implantation using the mask. You may make it partition 3a and the sense channel layer 3b.
  • the process of forming the main channel layer 3a, the sense channel layer 3b, and further the n + -type impurity region 4 can be performed as a separate process from the process of forming the gate electrode layer 8. Can also be formed before the trench 5 is formed.
  • the main cell region Rm has a rectangular frame shape so as to surround the sense cell region Rs.
  • the main cell region Rm may have a frame shape other than the rectangular frame shape, The configuration may be such that the sense cell region Rs is not surrounded by the cell region Rm.
  • the interval between the cells provided in the main cell region Rm and the cells formed in the sense cell region Rs is wider than the interval between the cells provided in the same region.
  • the trench gate structure formed in each of the main cell region Rm and the sense cell region Rs is wider than the interval between those formed in the main cell region Rm and the interval between those formed in the sense cell region Rs.
  • the interval between the cells provided in the main cell region Rm and the cells formed in the sense cell region Rs may be narrowed in the arrangement direction orthogonal to the longitudinal direction of the trench gate structure. Is possible. Therefore, the current flowing in the lateral direction from the sense cell region Rs toward the main cell region Rm can be further suppressed, and the current flowing in the vertical direction in the sense cell region Rs becomes uniform, thereby further improving the accuracy of the sense cell. Can be realized.
  • an n-channel type MOSFET having a trench gate structure in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example of the semiconductor switching element.
  • a semiconductor switching element having another structure for example, a MOSFET having a p-channel type trench gate structure in which the conductivity type of each component is inverted with respect to the n-channel type may be used.
  • the present disclosure can be applied to an IGBT having a similar structure.
  • the IGBT is the same as the vertical MOSFET described in the above embodiment except that the conductivity type of the semiconductor substrate 1 is changed from n-type to p-type.

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Abstract

メインセル領域とセンスセル領域との両方に至るように連続的にトレンチ（５）を繋ぐようにし、シールド電極（７）およびゲート電極層（８）がメインセル領域とセンスセル領域との両方に至るように連続的に形成されるようにする。これにより、メインセル領域とセンスセル領域との間において、シールド電極（７）のコンタクトを採る必要がなくなり、その分、メインセル領域とセンスセル領域とを近付けることが可能となる。

Description

半導体装置 関連出願への相互参照
　本出願は、２０１６年１２月２１日に出願された日本特許出願番号２０１６－２４８１８５号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。
　本開示は、メインセル領域とセンスセル領域とに、同じ構造の二層構造のトレンチゲートの縦型半導体スイッチング素子を有し、メインセルに流れる電流をセンスセルにて検出する半導体装置に関するものである。
　従来、特許文献１に、メインセル領域とセンスセル領域とに、同じ構造の二層構造のトレンチゲートの縦型半導体スイッチング素子を有し、メインセルに流れる電流をセンスセルにて検出する半導体装置が開示されている。
　この半導体装置では、トレンチゲートを二層構造とし、トレンチの底部側にソース電位とされるシールド電極を配置すると共に、トレンチ内におけるシールド電極の上側にゲート電極層を配置した構造とされている。そして、一方向を長手方向とするライン状でトレンチを形成し、トレンチを長手方向において分割することにより、メインセルとセンスセルとで各トレンチ内のゲート電極層およびシールド電極を分断している。また、シールド電極とのコンタクトを採るために、トレンチの先端部においてはシールド電極が半導体基板の表面まで形成されており、ゲート電極層よりもシールド電極の方がトレンチの先端部まで延設されるようにしている。すなわち、メインセルとセンスセルとの間に、センスセルのシールド電極のコンタクト部が形成されるようにしている。
米国特許第８９２８０６６号明細書
　上記特許文献１の半導体装置では、メインセルとセンスセルとの間において、センスセルのシールド電極を張り出させ、その張り出した部分においてシールド電極のコンタクト部を形成するようにしている。このため、メインセルとセンスセルとの間の距離が長くなり、センスセルによる電流検出の精度を低下させるという課題がある。
　具体的には、センスセルによる電流検出が高精度に行われるようにするためには、メインセルとセンスセルとの距離を短くすることが重要である。メインセルとセンスセルとの間の距離が離れると、その間に拡散するように、半導体基板の平面方向、つまり横方向へも電流が広がって流れる。このため、面積が広いメインセルでは、横方向への電流の流れの影響をあまり受けず、半導体基板の厚み方向、つまり縦方向に均一に電流が流れるが、面積の狭いセンスセルでは、横方向への電流の流れの影響を受け、縦方向に均一に電流が流れなくなる。したがって、センスセルによる電流検出の精度が低下する。
　また、縦型ＭＯＳＦＥＴを駆動する際に、ゲート電極層に対して所望の電圧を印加するが、ゲート電圧を印加した場合のメインセルとセンスセルの電流比が一定にならずに変化し得る。この際に、ゲート電圧が所望の電圧通りであった場合のセンスセルによる電流検出の精度を基準精度として、ゲート電圧が所望の電圧からずれた場合の基準精度からの変化量を求めると、その変化量がメインセルとセンスセルとの距離が離れるほど大きくなる。さらに、基準精度からの変化量は、半導体装置の使用温度によっても変化し、同じ使用温度であっても、メインセルとセンスセルとの距離が離れるほど基準精度からの変化量が大きくなる。
　このような課題を解決する方法として、センスセルを設けずに、メインセルに対して直列的にシャント抵抗を備え、シャント抵抗の両端電圧をモニタすることで、メインセルに流れる電流を検出する手法が考えられる。しかしながら、シャント抵抗が電流損失を招くし、シャント抵抗を高精度なものにすることが必要になるなど、システムが高コストになる。
　本開示は、センスセルによってメインセルに流れる電流を検出する半導体装置においてメインセルとセンスセルとの距離を短くでき、センスセルの高精度化を図ることができる構造を提供することを目的とする。
　本開示の１つの観点における半導体装置は、半導体スイッチング素子を備えたメインセル領域とセンスセル領域とを有し、センスセル領域に形成された半導体スイッチング素子によって、メインセル領域に形成された半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する。
　このような半導体装置において、半導体スイッチング素子は、第１導電型のドリフト層と、ドリフト層上に形成された第２導電型のチャネル層と、チャネル層内における該チャネル層の表層部に形成され、ドリフト層より高不純物濃度とされた第１導電型の第１不純物領域と、第１不純物領域からチャネル層を貫通してドリフト層に達する一方向を長手方向とするトレンチ内に、ゲート絶縁膜を介して、シールド電極およびゲート電極層が積層されて二層構造とされたトレンチゲート構造と、ドリフト層を挟んでチャネル層と反対側に形成され、ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第１または第２導電型の第２不純物領域と、第１不純物領域およびチャネル層と電気的に接続されると共に、シールド電極と電気的に接続される上部電極と、ゲート電極層と電気的に接続されるゲートライナーと、第２不純物領域と電気的に接続された下部電極と、を有して構成されている。そして、トレンチは、メインセル領域とセンスセル領域とに至るように連続的に繋げられており、繋がった該トレンチ内において、シールド電極およびゲート電極層もメインセル領域とセンスセル領域とに至るように連続的に繋がっており、シールド電極は、トレンチの長手方向の一端側において、メインセル領域のうちセンスセル領域から離れる側まで延設されることで、上部電極と電気的に接続されており、ゲート電極層は、トレンチの長手方向の他端側において、メインセル領域のうちセンスセル領域から離れる側まで延設されることで、ゲートライナーと電気的に接続されている。
　このような半導体装置によれば、　メインセル領域とセンスセル領域との間において、シールド電極のコンタクトを採る必要がなくなり、その分、メインセル領域とセンスセル領域とを近付けることが可能となる。したがって、メインセル領域とセンスセル領域との間において電流が広がって流れることを抑制することができ、センスセル領域においてもメインセル領域と同様に、電流が縦方向に均一に流れるようにすることができる。これにより、センスセルの高精度化を図ることが可能となる。
第１実施形態にかかる半導体装置の上面レイアウト図である。 図１のII －II断面図である。 図１のIII－III断面図である。 図１のIV－IV断面図である。
　以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
　（第１実施形態）
　第１実施形態について説明する。本実施形態では、メインセル領域およびセンスセル領域に同様の構造のｎチャネルタイプの縦型ＭＯＳＦＥＴが備えられた半導体装置について説明する。以下、図１～図４に基づいて本実施形態にかかる半導体装置の構造について説明する。
　図１に示すように、本実施形態にかかる半導体装置は、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとを有して構成されている。メインセル領域Ｒｍは一部が切り欠かれた四角枠体形状で構成されており、センスセル領域Ｒｓは、メインセル領域Ｒｍ内に配置され、メインセル領域Ｒｍに囲まれるように形成されている。
　メインセル領域Ｒｍおよびセンスセル領域Ｒｓには、同様の構造のｎチャネルタイプの縦型ＭＯＳＦＥＴが形成されている。
　図２に示すように、半導体装置は、不純物濃度が高濃度とされたシリコン等の半導体材料によって構成されたｎ＋型の半導体基板１を用いて形成されている。ｎ＋型の半導体基板１の表面上には、ｎ＋型の半導体基板１よりも不純物濃度が低濃度とされたｎ－型ドリフト層２が形成されており、ｎ－型ドリフト層２の所望位置に、比較的不純物濃度が低く設定されたチャネルｐ型層３が形成されている。
　チャネルｐ型層３は、ｎ－型ドリフト層２に対してｐ型不純物をイオン注入することなどによって形成されている。チャネルｐ型層３は、メインセル領域Ｒｍに形成されたメインチャネル層３ａとセンスセル領域Ｒｓに形成されたセンスチャネル層３ｂとに分かれており、図４に示すように、後述するトレンチゲート構造の長手方向において、これらの間が所定距離離されている。なお、図２に示すように、メインチャネル層３ａとセンスチャネル層３ｂとの間にはトレンチゲート構造が備えられることから、トレンチゲート構造の長手方向に対する直交方向においても互いに分離された構造となっている。
　チャネルｐ型層３の表層部には、ｎ－型ドリフト層２よりも不純物濃度が高濃度とされたソース領域に相当するｎ＋型不純物領域４が備えられている。そして、基板表面側からｎ＋型不純物領域４およびチャネルｐ型層３を貫通してｎ－型ドリフト層２まで達するトレンチ５が形成されている。このトレンチ５の内壁面を覆うようにゲート絶縁膜６が形成されていると共に、ゲート絶縁膜６を介して、トレンチ５内にドープトＰｏｌｙ－Ｓｉによって構成されたシールド電極７およびゲート電極層８が積層されて二層構造となっている。シールド電極７は、ソース電位に固定されることで、ゲート－ドレイン間の容量を小さくし、ＭＯＳＦＥＴの電気特性の向上を図るために形成されている。ゲート電極層８は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング動作を行うもので、ゲート電圧印加時にトレンチ５の側面のチャネルｐ型層３にチャネルを形成する。
　シールド電極７とゲート電極層８との間には絶縁膜９が形成されており、絶縁膜９によってシールド電極７とゲート電極層８とが絶縁されている。これらトレンチ５、ゲート絶縁膜６、シールド電極７、ゲート電極層８および絶縁膜９によってトレンチゲート構造が構成されている。このトレンチゲート構造は、例えば図２の紙面垂直方向を長手方向として、図１および図３の紙面左右方向、図２で言えば紙面左右方向に複数本が並べられることでストライプ状のレイアウトとされている。
　ただし、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとの間には、トレンチゲート構造が形成されていない。そして、これらの間において隣り合うトレンチゲート構造の間隔が、メインセル領域Ｒｍ内もしくはセンスセル領域Ｒｓ内のトレンチゲート構造同士の間隔よりも広くなっている。
　また、トレンチ５は、図３に示すように、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとで連続的に繋がった状態となっている。そして、そのトレンチ５内に埋め込まれたシールド電極７およびゲート電極層８も、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとの両方に至るように連続的に繋がった状態となっている。
　さらに、トレンチ５の長手方向の一方の端部、具体的には図３では紙面右側の端部において、シールド電極７は、ゲート電極層８よりもメインセル領域Ｒｍの外側、つまりメインセル領域Ｒｍのうちセンス領域から離れる側まで延設されている。そして、シールド電極７は、その部分をシールドライナー７ａとしてチャネルｐ型層３の表面から露出させられている。
　同様に、トレンチ５の長手方向の他方の端部、具体的には図３では紙面左側の端部において、ゲート電極層８は、シールド電極７よりもメインセル領域Ｒｍの外側、つまりメインセル領域Ｒｍのうちセンス領域から離れる側まで延設されている。そして、ゲート電極層８は、その部分をゲートライナー８ａとしてチャネルｐ型層３の表面から露出させられている。
　また、本実施形態では、図３および図４に示すように、ゲート電極層８の一部が突起部８ｂとされている。突起部８ｂは、ｎ＋型不純物領域４よりも上方に突き出している。突起部８ｂは、ゲートライナー８ａと同様の構成とされており、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓの間において形成されている。この突起部８ｂは、チャネルｐ型層３をイオン注入によって形成する場合のマスクとして用いられ、メインチャネル層３ａとセンスチャネル層３ｂとの間と対応する位置に形成されている。つまり、センスセル領域Ｒｓを挟んだ両側に突起部８ｂが形成されている。なお、突起部８ｂとその下方に位置するチャネルｐ型層３との間には、ゲート絶縁膜６や後述する層間絶縁膜１３が配置されていて、突起部８ｂやゲート電極層８とチャネルｐ型層３とが絶縁されている。
　また、ゲート電極層８を覆うように酸化膜などで構成された層間絶縁膜１３が形成され、この層間絶縁膜１３の上にソース電極に相当する上部電極１０やゲート電極１１が形成されている。上部電極１０は、層間絶縁膜１３が形成されていない部分、例えばコンタクトホールを通じてｎ＋型不純物領域４およびチャネルｐ型層３に電気的に接続されている。ゲート電極１１も、層間絶縁膜１３が形成されていない部分、例えばコンタクトホールを通じて、ゲートライナー８ａを介してゲート電極層８に電気的に接続されている。
　上部電極１０は、メインセル領域Ｒｍに形成されたメイン電極１０ａとセンスセル領域Ｒｓに形成されたセンス電極１０ｂとに分かれており、これらの間が所定距離離されている。メイン電極１０ａは、メインセル領域Ｒｍのほぼ全域にわたって形成され、一部が切り欠かれた四角枠体形状で構成されている。センス電極１０ｂは、四角形状とされており、メイン電極１０ａに囲まれるように配置されている。センス電極１０ｂのうちの一辺は引出配線１０ｃに接続され、メイン電極１０ａに形成された切り欠きを通って、メインセル領域Ｒｍの外側まで引き出されている。
　さらに、ｎ＋型の半導体基板１のうちｎ－型ドリフト層２とは反対側の面にドレイン電極に相当する下部電極１２が形成されている。このような構成により、縦型ＭＯＳＦＥＴの基本構造が構成されている。そして、図２に示すように、縦型ＭＯＳＦＥＴが複数セル集まって形成されることで、メインセル領域Ｒｍやセンスセル領域Ｒｓが構成されている。
　以上のようにして、縦型ＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置が構成されている。次に、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。ただし、本実施形態にかかる半導体装置のうち従来とは異なっている製造方法について説明し、従来と同様の部分については簡略化して説明を行う。
　まず、半導体基板１を用意し、半導体基板１の表面上にｎ－型ドリフト層２をエピタキシャル成長させる。次に、トレンチ５の形成予定領域が開口する図示しないマスクを配置し、そのマスクを用いたエッチングによりトレンチ５を形成する。続いて、熱酸化などによってトレンチ５の内壁面を含めてｎ－型ドリフト層２の表面にゲート絶縁膜６を形成したのち、ポリシリコンを積んでからエッチバックしてトレンチ５の底部やトレンチ５の一方の端部にのみ残すことでシールド電極７を形成する。
　さらに、絶縁膜９を成膜したのち、再びポリシリコンを積んでから、ポリシリコン上に突起部８ｂの形成予定領域を覆うマスクを配置し、エッチバックすることでトレンチ５内にゲート電極層８を形成すると共に突起部８ｂを形成する。これにより、トレンチゲート構造が形成されると共に突起部８ｂが形成される。
　この後、ｐ型不純物をイオン注入することにより、チャネルｐ型層３を形成する。このとき、ゲート電極層８の一部によって突起部８ｂを形成していることから、突起部８ｂがマスクとなってｐ型不純物のイオン注入が遮られ、突起部８ｂが形成された部分にはチャネルｐ型層３が形成されない。これにより、メインセル領域Ｒｍにメインチャネル層３ａを形成すると共にセンスセル領域Ｒｓにセンスチャネル層３ｂを形成することができ、かつ、これらの間を離すことができる。
　そして、ｎ＋型不純物領域４の形成予定領域が開口するマスクを配置したのち、ｎ型不純物をイオン注入することでｎ＋型不純物領域４を形成する。この後は、層間絶縁膜１３の形成工程、コンタクトホールの形成工程、上部電極１０およびゲートライナー８ａの形成工程、下部電極１２の形成工程を経て、本実施形態にかかる縦型ＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置が完成する。
　このように構成された半導体装置によれば、次のような効果を得ることができる。
　まず、上記したように、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとの両方に至るように連続的にトレンチ５を繋ぎ、シールド電極７およびゲート電極層８がメインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとの両方に至るように連続的に形成されるようにしている。
　このため、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとの間において、シールド電極７のコンタクトを採る必要がなくなり、その分、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとを近付けることが可能となる。したがって、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとの間において電流が広がって流れることを抑制することができ、センスセル領域Ｒｓにおいてもメインセル領域Ｒｍと同様に、電流が縦方向に均一に流れるようにすることができる。これにより、センスセルの高精度化を図ることが可能となる。
　また、本実施形態の半導体装置では、ゲート電極層８の一部を突起部８ｂとすることで、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓにおいてチャネルｐ型層３が分割され、メインチャネル層３ａとセンスチャネル層３ｂとなるようにしている。仮に、突起部８ｂを備えない場合には、チャネルｐ型層３を形成する際のｐ型不純物のイオン注入時に、メインチャネル層３ａとセンスチャネル層３ｂとの間を覆う図示しないマスクを形成してからイオン注入を行う必要がある。しかしながら、本実施形態のようにゲート電極層８の一部によって突起部８ｂを形成しておくことで、この突起部８ｂをマスクとして利用することが可能となり、改めてマスク形成を行わなくても良くなる。したがって、半導体装置の製造工程の簡略化を図ることも可能となる。
　また、突起部８ｂについては、メインセル領域Ｒｍの外側に配置されるゲートライナー８ａと共通のマスクによって形成可能であることから、突起部８ｂを形成するためのみにマスクを用意する必要がなく、製造工程の共通化を図ることができる。したがって、製造コストの削減を図ることが可能となる。
　さらに、センスセル領域Ｒｓをメインセル領域Ｒｍで囲むようにしている。このため、センスセル領域Ｒｓの周囲にメインセル領域Ｒｍが無い場合と比較して、よりセンスセル領域Ｒｓの動作を均一化することが可能となり、よりセンスセルの高精度化を図ることが可能となる。
　（他の実施形態）
　本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
　（１）例えば、上記実施形態では、ゲート電極層８の一部に突起部８ｂを設け、イオン注入時にメインチャネル層３ａとセンスチャネル層３ｂとを区画するためのマスクとしての役割を果たさせるようにした。これに対して、ゲート電極層８の一部に突起部８ｂを設けるのではなく、ゲート電極層８の形成工程とは別工程としてマスク形成を行い、そのマスクを用いてイオン注入時にメインチャネル層３ａとセンスチャネル層３ｂとを区画するようにしても良い。
　なお、このような製造方法とする場合、メインチャネル層３ａやセンスチャネル層３ｂ、さらにはｎ＋型不純物領域４を形成する工程をゲート電極層８の形成工程と別工程として行えることから、これらをトレンチ５の形成前に形成することもできる。
　（２）また、上記実施形態では、半導体基板１によって高濃度の不純物領域を形成し、その上にｎ－型ドリフト層２をエピタキシャル成長させる例を示した。これは、ドリフト層を挟んでチャネルｐ型層３と反対側に高濃度の不純物領域を構成する場合の一例を示したに過ぎず、ドリフト層を半導体基板によって構成し、その裏面側にイオン注入等を行うことで高濃度の不純物領域を形成するようにしても良い。
　（３）また、上記実施形態では、センスセル領域Ｒｓを囲むようにメインセル領域Ｒｍを四角枠体形状としたが、メインセル領域Ｒｍを四角枠体形状ではない枠体形状としても良いし、メインセル領域Ｒｍによってセンスセル領域Ｒｓを囲まない構成であっても良い。
　さらに、メインセル領域Ｒｍに備えられるセルとセンスセル領域Ｒｓに形成されるセルの間の間隔が同じ領域内に備えられる各セルの間の間隔よりも広くされている。具体的には、メインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓそれぞれに形成されるトレンチゲート構造が、メインセル領域Ｒｍに形成されたもの同士の間隔およびセンスセル領域Ｒｓに形成されたもの同士の間隔よりも広くされている。この間隔についても、広くなるほど、センスセル領域Ｒｓからメインセル領域Ｒｍ側に向かって横方向に電流が流れ、センスセル領域Ｒｓで縦方向に流れる電流が均一でなくなるため、できるだけ狭い方が良い。これに対して、上記構造のＭＯＳＦＥＴでは、トレンチゲート構造の長手方向に直交する配列方向において、メインセル領域Ｒｍに備えられるセルとセンスセル領域Ｒｓに形成されるセルの間の間隔を狭くすることも可能である。したがって、センスセル領域Ｒｓからメインセル領域Ｒｍ側に向かって横方向に流れる電流を尚更に抑制することが可能となり、さらにセンスセル領域Ｒｓで縦方向に流れる電流が均一となって、よりセンスセルを高精度化することが可能となる。
　（４）また、上記実施形態では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としたｎチャネルタイプのトレンチゲート構造のＭＯＳＦＥＴを半導体スイッチング素子の一例として説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎず、他の構造の半導体スイッチング素子、例えばｎチャネルタイプに対して各構成要素の導電型を反転させたｐチャネルタイプのトレンチゲート構造のＭＯＳＦＥＴとしても良い。また、ＭＯＳＦＥＴ以外に、同様の構造のＩＧＢＴに対しても本発示を適用することができる。ＩＧＢＴの場合、半導体基板１の導電型をｎ型からｐ型に変更する以外は、上記実施形態で説明した縦型ＭＯＳＦＥＴと同様である。

Claims (3)

  1. 　半導体スイッチング素子を備えたメインセル領域（Ｒｍ）とセンスセル領域（Ｒｓ）とを有し、前記センスセル領域に形成された前記半導体スイッチング素子によって、前記メインセル領域に形成された前記半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する半導体装置であって、
    　前記半導体スイッチング素子は、
    　第１導電型のドリフト層（２）と、
    　前記ドリフト層上に形成された第２導電型のチャネル層（３）と、
    　前記チャネル層内における該チャネル層の表層部に形成され、前記ドリフト層より高不純物濃度とされた第１導電型の第１不純物領域（４）と、
    　前記第１不純物領域から前記チャネル層を貫通して前記ドリフト層に達する一方向を長手方向とするトレンチ（５）内に、ゲート絶縁膜（６）を介して、シールド電極（７）およびゲート電極層（８）が積層されて二層構造とされたトレンチゲート構造と、
    　前記ドリフト層を挟んで前記チャネル層と反対側に形成され、前記ドリフト層よりも高不純物濃度とされた第１または第２導電型の第２不純物領域（１）と、
    　前記第１不純物領域および前記チャネル層と電気的に接続されると共に、前記シールド電極と電気的に接続される上部電極（１０）と、
    　前記ゲート電極層と電気的に接続されるゲートライナー（８ａ）と、
    　前記第２不純物領域と電気的に接続された下部電極（１２）と、を有して構成され、
    　前記トレンチは、前記メインセル領域と前記センスセル領域とに至るように連続的に繋げられており、繋がった該トレンチ内において、前記シールド電極および前記ゲート電極層も前記メインセル領域と前記センスセル領域とに至るように連続的に繋がっており、
    　前記シールド電極は、前記トレンチの長手方向の一端側において、前記メインセル領域のうち前記センスセル領域から離れる側まで延設されることで、前記上部電極と電気的に接続されており、
    　前記ゲート電極層は、前記トレンチの長手方向の他端側において、前記メインセル領域のうち前記センスセル領域から離れる側まで延設されることで、前記ゲートライナーと電気的に接続されている半導体装置。
  2. 　前記チャネル層は、前記メインセル領域に形成されたメインチャネル層（３ａ）と前記センスセル領域に形成されたセンスチャネル層（３ｂ）とを有し、前記メインチャネル層と前記センスチャネル層とが分離された構成とされており、
    　前記メインチャネル層と前記センスチャネル層との間と対応する位置において、前記ゲート電極層の一部が前記第１不純物領域よりも上方に突き出した突起部（８ｂ）が形成されている請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記上部電極は、前記メインセル領域に形成された前記半導体スイッチング素子のメイン電極（１０ａ）と前記センスセル領域に形成された前記半導体スイッチング素子のセンス電極（１０ｂ）とを有した構成とされ、
    　前記メインセル領域は一部が切り欠かれた枠体形状で構成されていると共に、前記センスセル領域は前記メインセル領域内に配置され、前記センス電極（１０ｂ）が前記メインセル領域の一部が切り欠かれた部分から該メインセル領域の外側まで引き出される引出配線（１０ｃ）に接続されている請求項１または２に記載の半導体装置。
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