WO2022045136A1 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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健太 合田
裕介 野中
勇志 萩野
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株式会社デンソー
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    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42372—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the conducting layer, e.g. the length, the sectional shape or the lay-out
    • H01L29/4238—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the conducting layer, e.g. the length, the sectional shape or the lay-out characterised by the surface lay-out

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device having a double gate trench gate structure and a method for manufacturing the same.
  • a semiconductor device having a cell portion and an outer peripheral portion and having a double gate trench gate structure in the cell portion (see, for example, Patent Document 1).
  • a semiconductor device is configured by using a semiconductor substrate in which an n ⁇ type drift layer is formed on an n + type drain layer.
  • a body region, a source region, and the like are formed on the surface layer portion of the semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate is formed with a trench gate structure so as to penetrate the body region and the source region and reach the drift layer.
  • a shield electrode as a source potential is arranged on the bottom side of the gate trench via a shield insulating film, and a gate electrode is provided on the opening side of the gate trench via the gate insulating film. It is configured to have an arranged double gate. As a result, the parasitic capacitance generated between the gate electrode and the drain electrode can be reduced.
  • An intermediate insulating film is formed between the shield electrode and the gate electrode. Further, on the semiconductor substrate, an upper electrode electrically connected to the body region and the source region is arranged, and a lower electrode electrically connected to the drain layer is arranged.
  • a contact trench is formed in a semiconductor substrate and the upper electrode is electrically connected to a body region or a source region through the contact trench.
  • the contact resistance between the upper electrode and the semiconductor substrate can be reduced by forming the contact region for the source region having a higher impurity concentration than the source region along the contact trench.
  • the contact region for the source region is formed around the contact trench by, for example, being configured by using the same mask as the mask forming the contact trench.
  • the parasitic bipolar transistor operates due to the avalanche operation. Therefore, when forming a contact trench, by extending the contact trench from the cell portion to the outer peripheral portion, it is possible to suppress the operation of the parasitic bipolar transistor configured in the semiconductor device, and the avalanche withstand capacity is improved. Can be planned.
  • the cell portion is configured to have a main cell region and a sense cell region in which a current smaller than the current flowing in the main cell region flows and the cell portion has the same configuration as the main cell region. Can be considered. Then, in the semiconductor device, it is conceivable to detect the current flowing in the main cell region based on the current flowing in the sense cell region.
  • the current detection accuracy may decrease. That is, by extending the contact trench from the cell portion to the outer peripheral portion, the length protruding from the outer peripheral portion of the contact region for the source region may become too long. In this case, in the sense cell region, the ratio of the current flowing in the outer peripheral portion increases, so that the ratio of the current flowing in the sense cell region decreases. Therefore, the current detection accuracy may decrease.
  • An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device capable of suppressing a decrease in current detection accuracy and a method for manufacturing the same.
  • a semiconductor device in which a semiconductor element having a double-gate trench gate structure is formed includes a cell portion in which the semiconductor element is formed and an outer peripheral portion surrounding the cell portion.
  • the unit has a main cell region and a sense cell region in which a current smaller than the current flowing in the main cell region flows and has the same configuration as the main cell region.
  • the main cell region and the sense cell region are the first conductive type.
  • a semiconductor substrate having a drift layer, a second conductive type first impurity region formed on the drift layer, and a surface layer portion of the first impurity region in the first impurity region, which has higher impurities than the drift layer.
  • a shield electrode, an intermediate insulating film, and a gate electrode are laminated in this order via an insulating film to form a double gate, which is formed between a plurality of trench gate structures and a trench gate structure, and is formed in one direction in the longitudinal direction.
  • a contact trench extending from the cell portion to the outer peripheral portion and penetrating the second impurity region to reach the first impurity region, and formed along the wall surface of the contact trench, have higher impurities than the second impurity region.
  • the high of the first conductive type or the second conductive type which is formed on the opposite side of the contact region for the second impurity region and the drift layer, and has a higher impurity concentration than the drift layer.
  • An interlayer insulating film arranged on a concentration layer, a trench gate structure, a first impurity region, and a second impurity region and formed with a contact hole connected to the contact trench, and for the second impurity region through the contact hole and the contact trench.
  • the length along one direction in the cell portion is The length is set along one direction in the second impurity region, the contact region for the second impurity region extends from the cell portion to the outer peripheral portion, and extends to the outer peripheral portion in the contact region for the second impurity region.
  • the protrusion length d is the protrusion length d
  • the length along one direction in the second impurity region is the second impurity region length A
  • the d / A which is the ratio of the length d, is 0.1 or less.
  • a semiconductor substrate is prepared, a contact region for a second impurity region is formed, and a contact trench is formed on the semiconductor substrate.
  • d / A which is the ratio of the protrusion length d to the length A of the second impurity region, is set to 0.1 or less.
  • FIG. 8A It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 8A. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 8B. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 8C. It is a top layout view of the semiconductor device in 2nd Embodiment. It is sectional drawing along the X-X line in FIG. It is a top layout view of the semiconductor device in 3rd Embodiment. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device in 3rd Embodiment. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 12A.
  • the first embodiment will be described with reference to the drawings.
  • the first embodiment will be described.
  • a semiconductor device provided with an n-channel type vertical MOSFET (abbreviation of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) having a double-gate trench gate structure as a semiconductor element will be described as an example.
  • n-channel type vertical MOSFET abbreviation of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • the semiconductor device in the present embodiment is configured to have a cell portion 1 having a main cell region Rm serving as a main cell and a sense cell region Rs serving as a sense cell, and an outer peripheral portion 2. There is.
  • the main cell region Rm and the sense cell region Rs are provided with MOSFETs having the same structure, and the elements are separated from each other.
  • the area ratios of the main cell region Rm and the sense cell region Rs are adjusted so that the current flowing in the main cell region Rm decreases by a predetermined ratio to the sense cell region Rs.
  • the sense cell region Rs is set to be several hundreds to one tens of thousands of the size of the main cell region Rm. Since the current flowing in the semiconductor device is proportional to the area ratio, the current flowing in the main cell region Rm is detected based on the current flowing in the sense cell region Rs.
  • the semiconductor device of the present embodiment has a configuration having a source region 14.
  • the cell portion 1 and the outer peripheral portion 2 are partitioned depending on whether or not the source region 14 is formed, and the portion where the source region 14 is formed is referred to as the cell portion 1.
  • the configuration of the semiconductor device will be described with the width direction of the MOSFET being the x direction and the depth direction of the MOSFET intersecting the x direction being the y direction.
  • the main cell region Rm and the sense cell region Rs in the cell portion 1 have the same configuration. Therefore, the configuration of the cell unit 1 described below is applied to both the main cell region Rm and the sense cell region Rs.
  • the semiconductor device in the present embodiment is formed by using a semiconductor substrate 10 having a substrate 11 composed of an n + type silicon substrate or the like having a high impurity concentration. ing.
  • An n - type drift layer 12 having an impurity concentration lower than that of the substrate 11 is formed on the surface of the substrate 11.
  • the substrate 11 functions as a drain layer and corresponds to a high concentration layer.
  • a p-type body region 13 having a relatively low impurity concentration is formed at a desired position on the surface layer of the drift layer 12.
  • the body region 13 is formed by, for example, ion-implanting a p-type impurity into the drift layer 12, and also functions as a channel layer forming a channel region.
  • the body region 13 is formed with the y direction as the longitudinal direction among a plurality of trench gate structures described later. Then, as shown in FIG. 2, the body region 13 extends from the cell portion 1 to the outer peripheral portion 2.
  • the boundary between the portion where the body region 13 is formed and the portion where the body region 13 is not formed is shown by a broken line as the body region boundary portion 13a.
  • the surface layer portion of the body region 13 is provided with an n-type source region 14 having a higher impurity concentration than the drift layer 12.
  • the source region 14 is formed with the y direction as the longitudinal direction among a plurality of trench gate structures described later. However, the source region 14 is formed so as to terminate within the body region 13.
  • the portion where the source region 14 is formed is the cell portion 1.
  • the boundary between the portion where the source region 14 is formed and the portion where the source region 14 is not formed is shown as the source region boundary portion 14a.
  • the body region 13 corresponds to the first impurity region
  • the source region 14 corresponds to the second impurity region.
  • the semiconductor substrate 10 is formed with a plurality of contact trenches 15 that penetrate the source region 14 and reach the body region 13. As a result, the body region 13 is exposed on the bottom surface of the contact trench 15.
  • a p + type body region contact region 13b that serves as a body contact is formed in a portion of the body region 13 exposed from the bottom surface of the contact trench 15.
  • An n + type source region contact region 14b serving as a source contact is formed in a portion of the source region 14 exposed from the side surface of the contact trench 15.
  • the source region contact region 14b corresponds to the second impurity region contact region.
  • the contact trench 15 is formed with the y direction as the longitudinal direction among a plurality of trench gate structures described later. Specifically, the contact trench 15 is formed so as to protrude from the source region 14 in the y direction. That is, the contact trench 15 is formed from the cell portion 1 to the outer peripheral portion 2. However, the contact trench 15 is formed so as to terminate inside the body region 13 in the y direction. Further, the contact trench 15 is formed so as to be arranged along the x direction, and is formed between a plurality of trench gate structures described later. That is, the contact trench 15 has a striped layout in which the contact trenches 15 are arranged in parallel at equal intervals.
  • the contact region 14b for the source region is formed around the contact trench 15 as shown in FIGS. 2 and 5.
  • the source region contact region 14b is formed so as to surround the contact trench 15 on one surface 10a of the semiconductor substrate 10. Therefore, in the present embodiment, the source region contact region 14b is in a state of protruding from the source region 14 in the y direction. That is, the contact region 14b for the source region is in a state of extending to the outer peripheral portion 2.
  • a plurality of gate trenches 16 are arranged so as to be arranged along the x direction with the y direction (that is, one direction) as the longitudinal direction. Is formed.
  • the gate trench 16 is a trench for forming a trench gate structure, and in the present embodiment, the gate trenches 16 are arranged in parallel at equal intervals to form a striped layout.
  • each gate trench 16 extends from the cell portion 1 to the outer peripheral portion 2 in the y direction.
  • the gate trench 16 is formed so as to protrude from the body region 13 at the outer peripheral portion 2.
  • the body region 13 terminates inside in the extending direction of the gate trench 16 in the y direction.
  • the gate trench 16 is formed deeper than the body region 13. That is, the gate trench 16 has a depth that reaches the drift layer 12 from the one side 10a side of the semiconductor substrate 10 through the source region 14 and the body region 13. Further, in the present embodiment, the width of the gate trench 16 gradually narrows toward the bottom, and the bottom is rounded.
  • the plurality of gate trenches 16 are formed so that the gate trenches 16 located at both ends in the x direction are located on the outer peripheral portion 2. Therefore, the gate trenches 16 located at both ends in the x direction are formed so as to penetrate the body region 13 and reach the drift layer 12.
  • the inner wall surface of the gate trench 16 is covered with the insulating film 17.
  • the insulating film 17 of the present embodiment has a shield insulating film 17a covering the lower portion of the gate trench 16 and a gate insulating film 17b covering the upper portion.
  • the shield insulating film 17a is formed so as to cover the side surface of the lower portion from the bottom of the gate trench 16.
  • the gate insulating film 17b is formed so as to cover the side surface of the upper portion of the gate trench 16.
  • a shield electrode 18 and a gate electrode 19 composed of doped Poly—Si are laminated and arranged via an insulating film 17. That is, a double gate is arranged in the gate trench 16.
  • the shield electrode 18 is fixed to the source potential by being connected to the upper electrode 22.
  • the capacitance between the gate and the drain can be reduced, and the electrical characteristics of the MOSFET can be improved.
  • the gate electrode 19 performs a MOSFET switching operation, and forms a channel region in the body region 13 on the side surface of the gate trench 16 when a gate voltage is applied.
  • the trench gate structure is composed of the gate trench 16, the insulating film 17, the shield electrode 18, the gate electrode 19, and the intermediate insulating film 20.
  • the gate trench 16 is formed as described above, a plurality of lines are arranged in the x direction which is the vertical direction of the paper surface of FIG. 2 with the y direction which is the left-right direction of the paper surface of FIG. 2 as the longitudinal direction. It has a striped layout.
  • the source region 14 is formed in the inner portion of the trench gate structure in the longitudinal direction, and the cell portion 1 that functions as a MOSFET is configured in that portion. Further, the tip portion of the trench gate structure outside the cell portion 1 is located on the outer peripheral portion 2.
  • the shield electrode 18 extends to the outside of the gate electrode 19. These portions are exposed as the shield liner 18a from the surface side of the body region 13 and the source region 14. Further, at the longitudinal end of the gate trench 16, the tip of the intermediate insulating film 20 is also between the portion of the shield electrode 18 extending outside the gate electrode 19 and the tip of the gate electrode 19. It is insulated by the portion 20a.
  • the shield liner 18a is routed so as to surround the cell portion 1.
  • FIG. 2 is not a cross-sectional view, the shield liner 18a is hatched for easy understanding. Further, in the figure corresponding to FIG. 2 described later, the shield liner 18a is hatched for easy understanding.
  • An interlayer insulating film 21 made of an oxide film or the like is formed on one surface 10a side of the semiconductor substrate 10 so as to cover the gate electrode 19. As shown in FIG. 3, the interlayer insulating film 21 is formed with a first contact hole 21a communicating with the contact trench 15 formed in the semiconductor substrate 10.
  • the contact trench 15 and the contact region 14b for the source region are formed as follows. That is, in the contact region 14b for the source region, after the first contact hole 21a is formed in the interlayer insulating film 21, impurities are ion-implanted and thermally diffused through the first contact hole 21a using the interlayer insulating film 21 as a mask. Is formed by. Further, the contact trench 15 is formed so as to penetrate the contact region 14b for the source region and communicate with the first contact hole 21a by using the interlayer insulating film 21 as a mask again after forming the contact region 14b for the source region. .. That is, in the present embodiment, the source region contact region 14b and the contact trench 15 are formed by using the same mask of the interlayer insulating film 21. Therefore, the contact region 14b for the source region is in a state of being formed around the contact trench 15.
  • the interlayer insulating film 21 has a second contact hole 21b that exposes the gate electrode 19 and a third contact hole 21c that exposes the shield liner 18a on the outer peripheral portion 2. It is formed.
  • the upper electrode 22 has a body region 13 (that is, a body region contact region 13b) and a source region 14 (that is, that is, the body region 14) through the connection portion 22a in the cell portion 1. It is formed so as to be electrically connected to the contact region 14b) for the source region.
  • the connecting portion 22a is made of a tungsten (W) plug or the like, and is embedded in the first contact hole 21a and the contact trench 15 formed in the interlayer insulating film 21. Further, in the present embodiment, the upper electrode 22 corresponds to the first electrode.
  • the gate wiring 23 is electrically connected to the gate electrode 19 through a connection portion 23a such as a W plug embedded in the second contact hole 21b formed in the interlayer insulating film 21. Is formed in.
  • the shield wiring 24 is formed so as to be electrically connected to the shield electrode 18 through a connection portion 24a such as a W plug embedded in the third contact hole 21c formed in the interlayer insulating film 21.
  • FIG. 2 is not a cross-sectional view, in order to make it easier to understand, the portion of the gate electrode 19 connected to the gate wiring 23 and the portion of the shield electrode 18 connected to the shield wiring 24 are shown. It has been hatched. Further, in the figure corresponding to FIG. 2 described later, hatching is applied to these parts for easy understanding.
  • a lower electrode 25 corresponding to a drain electrode is formed on the surface of the substrate 11 opposite to the drift layer 12. That is, the lower electrode 25 is formed on the other surface 10b of the semiconductor substrate 10. In this embodiment, the lower electrode 25 corresponds to the second electrode. With such a configuration, the vertical MOSFET in this embodiment is configured.
  • the semiconductor substrate 10 includes the substrate 11, the drift layer 12, the body region 13, the source region 14, and the like.
  • a semiconductor device like a normal MOSFET, when a voltage equal to or higher than a predetermined voltage is applied to the gate electrode 19, a channel is formed in a portion of the body region 13 in contact with the gate trench 16 to form a source-drain. It turns on when a current flows between them. Further, when the voltage applied to the gate electrode 19 becomes less than a predetermined voltage, the channel formed in the body region 13 disappears and the current is cut off, so that the off state is achieved.
  • a parasitic bipolar transistor composed of a drift layer 12, a body region 13, and a source region 14 is configured. Therefore, in the above-mentioned semiconductor device, when the on state is changed to the off state, the parasitic bipolar transistor is operated by the avalanche operation, so that an excessive current may flow between the source and the drain.
  • the contact trench 15 is formed up to the outer peripheral portion 2.
  • the holes generated in the outer peripheral portion 2 can be extracted from the contact trench 15 formed up to the outer peripheral portion 2. Therefore, it is possible to suppress the operation of the parasitic bipolar transistor and improve the avalanche withstand capability.
  • the source region contact region 14b and the contact trench 15 of the present embodiment are configured by using the same mask. Therefore, the contact region 14b for the source region is formed around the contact trench 15. Therefore, when the protrusion length of the contact trench 15 to the outer peripheral portion 2 is lengthened, the protrusion length of the source region contact region 14b to the outer peripheral portion 2 is also lengthened.
  • the semiconductor device when the semiconductor device is turned on, a current flows between the source and the drain.
  • the current flows through the main path R1 in the order of the substrate 11, the drift layer 12, the body region 13, the source region 14, and the source region contact region 14b.
  • the current flows through the parasitic path R2 in the order of the drift layer 12, the body region 13, and the source region contact region 14b.
  • the main path R1 is a current flowing only in the cell portion 1
  • the parasitic path R2 is a current flowing through the outer peripheral portion 2.
  • the area of the sense cell region Rs is minimized with respect to the main cell region Rm as described above, and the current variation due to the large current of the parasitic path R2 is ignored as compared with the main cell region Rm. become unable. That is, when the protrusion length of the contact trench 15 to the outer peripheral portion 2 is lengthened, the avalanche withstand capacity can be improved, but the reduction rate of the flowing current becomes large in the sense cell region Rs.
  • the present inventors use the length of the portion of the contact region 14b for the source region that protrudes from the cell portion 1 along the y direction as the protrusion length d.
  • the following examination was conducted. That is, the present inventors examined the variation in the ratio of the protrusion length d to the current flowing in the main cell region Rm and the sense cell region Rs. Then, the present inventors obtained the results shown in FIG. 7.
  • FIG. 7 is an experimental result when the source region length A, which is the length along the y direction in the source region 14, is set to 20 ⁇ m.
  • the length along the y direction in the source region 14 is, in other words, the length in the longitudinal direction of the gate trench 16 and the length in the longitudinal direction of the sense cell region Rs.
  • the variation increases as the protrusion length d increases. Specifically, the variation increases sharply when the protrusion length d is set to 2 ⁇ m or more. In other words, the variation is 2 ⁇ m, which is the intersection of the first tangent line S1 at the portion where the slope starts to increase and the second tangent line S2 at the portion where the slope becomes maximum in the approximate line showing the relationship between the protrusion length d and the variation. When it becomes the above, it becomes steeply large.
  • the influence of the current flowing through the parasitic path R2 on the current flowing through the main path R1 becomes smaller as the current flowing through the main path R1 becomes larger, and becomes smaller as the current flowing through the parasitic path R2 becomes smaller. That is, the influence of the current flowing through the parasitic path R2 on the current flowing through the main path R1 becomes smaller as the length of the sense cell region Rs along the y direction becomes longer, and becomes smaller as the protrusion length d becomes smaller. That is, the length of the sense cell region Rs with respect to the variation along the y direction (that is, the length of the source region 14 along the y direction) and the protrusion length d are in an inversely proportional relationship.
  • the source region length A is 20 ⁇ m, it can be said that the variation sharply increases when d / A, which is the ratio of the protrusion length d to the source region length A, becomes larger than 0.1. Therefore, in the present embodiment, the source region length A and the protrusion length d are defined so that d / A, which is the ratio of the protrusion length d to the source region length A, is 0.1 or less. .. In this embodiment, the source region length A corresponds to the second impurity region length. Further, in the following, d / A, which is the ratio of the protrusion length d to the source region length A, is also simply referred to as d / A.
  • FIGS. 8A to 8D correspond to the cross section along the line VIIIA-VIIIA in FIG.
  • a semiconductor substrate 10 on which a body region 13, a source region 14, and the like are formed is prepared.
  • the interlayer insulating film 21 is formed on one surface 10a of the semiconductor substrate 10, and the first contact hole 21a is formed in the interlayer insulating film 21.
  • the interlayer insulating film 21 is used as a mask, and impurities constituting the source region contact region 14b are ion-implanted through the first contact hole 21a and thermally diffused to cause the source region contact. It forms a region 14b.
  • the contact region 14b for the source region is formed so that the d / A is 0.1 or less.
  • the length of the first contact hole 21a formed in the interlayer insulating film 21 is defined along the y direction of the opening so that the d / A is 0.1 or less. Since the source region contact region 14b is formed by being thermally diffused, it is formed in a state where it penetrates below the interlayer insulating film 21.
  • the interlayer insulating film 21 is used as a mask to form a contact trench 15 that communicates with the first contact hole 21a and penetrates the source region contact region 14b.
  • the contact region 14b for the source region is formed around the contact trench 15.
  • the interlayer insulating film 21 is used as a mask, and impurities constituting the body region contact region 13b are ion-implanted and thermally diffused through the first contact hole 21a and the contact trench 15. As a result, the contact region 13b for the body region is formed on the bottom surface side of the contact trench 15. Then, the semiconductor device is manufactured by performing a predetermined semiconductor manufacturing process to form the upper electrode 22 and the like.
  • the contact trench 15 extends to the outer peripheral portion 2.
  • the contact region 14b for the source region is formed so that the d / A is 0.1 or less. Therefore, it is possible to reduce the variation in the ratio of the currents flowing in the main cell region Rm and the sense cell region Rs while improving the avalanche withstand capacity. Therefore, in the semiconductor device of the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in current detection accuracy while improving the avalanche withstand capability.
  • the upper electrode 22 is electrically connected to the body region 13 even in the outer peripheral portion 2 as compared with the first embodiment.
  • Others are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof will be omitted here.
  • the interlayer insulating film 21 is formed with a fourth contact hole 21d that exposes the surface of the body region 13 on the outer peripheral portion 2.
  • the upper electrode 22 is also connected to the body region 13 at the outer peripheral portion 2 through a connecting portion 22b such as a W plug embedded in the fourth contact hole 21d formed in the interlayer insulating film 21. That is, the body region 13 formed on the outer peripheral portion 2 is configured with the contact portion C connected to the upper electrode 22.
  • the body region 13 has a contact portion C electrically connected to the upper electrode 22.
  • the upper electrode 22 is connected to the contact portion C of the body region 13 at the outer peripheral portion 2. Therefore, when the semiconductor device operates in the avalanche, holes are easily extracted from the upper electrode 22 through the contact portion C in the outer peripheral portion 2. As a result, the withstand voltage of the semiconductor device can be improved by further improving the avalanche withstand capability.
  • the third embodiment will be described.
  • the protrusion length d is shorter than the protrusion length of the contact trench 15 as compared with the first embodiment.
  • Others are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof will be omitted here.
  • the protruding length d of the contact region 14b for the source region is shorter than the protruding length d of the contact trench 15.
  • the contact region 14b for the source region is formed so that the d / A is 0.1 or less even in this embodiment.
  • the protruding length of the contact trench 15 is the length of the protruding portion of the contact trench 15 along the y direction from the cell portion 1.
  • FIGS. 12A and 12B correspond to cross-sectional views taken along the line XIIA-XIIA in FIG.
  • a semiconductor substrate 10 on which a body region 13 and a source region 14 are formed is prepared, and then a contact region 14b for a source region is formed using a mask (not shown).
  • the contact region 14b for the source region is formed so that the d / A is 0.1 or less.
  • the interlayer insulating film 21 is formed on one surface 10a of the semiconductor substrate 10, and the first contact hole 21a is formed in the interlayer insulating film 21.
  • the first contact hole 21a is formed so as to protrude from the source region contact region 14b in the y direction. That is, the first contact hole 21a is formed so as to expose the source region contact region 14b and the body region 13 in the y direction.
  • the interlayer insulating film 21 is used as a mask to form a contact trench 15 that communicates with the first contact hole 21a and penetrates the source region contact region 14b. That is, in the present embodiment, the source region contact region 14b and the contact trench 15 are formed by using another mask.
  • the first embodiment is described above.
  • the same effect as the morphology can be obtained.
  • the protruding length d of the contact region 14b for the source region and the protruding length of the contact trench 15 can be easily made different from each other. Can be done. Therefore, it is possible to easily adjust the protrusion length d of the contact region 14b for the source region and the protrusion length of the contact trench 15 according to the characteristics of the semiconductor device.
  • a MOSFET having an n-channel type trench gate structure in which the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type has been described as an example of a semiconductor device.
  • a semiconductor device having another structure for example, a MOSFET having a p-channel type trench gate structure in which the conductive type of each component is inverted with respect to the n-channel type may be used.
  • the semiconductor device may have a configuration in which an IGBT having a similar structure is formed in addition to the MOSFET.
  • the IGBT it is the same as the vertical MOSFET described in each of the above embodiments, except that the n + type substrate 11 in each of the above embodiments is changed to a P + type collector layer.
  • the contact region 14b for the source region is formed before the interlayer insulating film 21 is formed has been described, but the following may be used. That is, after forming the first contact hole 21a in the interlayer insulating film 21, a mask having an opening formed so that the d / A is 0.1 or less is arranged on the interlayer insulating film 21 for the source region. The contact region 14b is formed. After that, the contact trench 15 may be formed by using the interlayer insulating film as a mask.
  • a semiconductor device can be obtained by appropriately combining each of the above embodiments.
  • the second embodiment may be combined with the third embodiment so that the body region 13 is connected to the upper electrode 22 on the outer peripheral portion 2.

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Abstract

セル部（２）における一方向に沿った長さは、第２不純物領域（１４）における一方向に沿った長さとし、第２不純物領域用コンタクト領域（１４ｂ）は、セル部（１）から外周部（２）まで延設されるようにする。そして、第２不純物領域用コンタクト領域（１４ｂ）における外周部（２）に延設された部分の一方向に沿った長さを突出長さｄとし、第２不純物領域（１４）における一方向に沿った長さを第２不純物領域長さＡとすると、第２不純物領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａが０．１以下となるようにする。

Description

半導体装置およびその製造方法 関連出願への相互参照
　本出願は、２０２０年８月２６日に出願された日本特許出願番号２０２０－１４２６２９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、ダブルゲートのトレンチゲート構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
　従来より、セル部と外周部とを有し、セル部に、ダブルゲートのトレンチゲート構造を有する半導体素子を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、このような半導体装置は、ｎ＋型のドレイン層の上にｎ－型のドリフト層が形成された半導体基板を用いて構成される。そして、半導体基板の表層部には、ボディ領域やソース領域等が形成されている。また、半導体基板には、ボディ領域およびソース領域を貫通してドリフト層に達するようにトレンチゲート構造が形成されている。この半導体装置におけるトレンチゲート構造は、ゲートトレンチの底部側にシールド絶縁膜を介してソース電位とされるシールド電極が配置されると共に、ゲートトレンチの開口部側にゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置されたダブルゲートを有する構成とされている。これにより、ゲート電極とドレイン電極との間に発生する寄生容量を低減できる。なお、シールド電極とゲート電極との間には、中間絶縁膜が形成されている。
　また、半導体基板には、ボディ領域やソース領域と電気的に接続される上部電極が配置されていると共に、ドレイン層と電気的に接続される下部電極が配置されている。
特開２０１３－２０１３６１号公報
　ところで、上記のような半導体装置では、半導体基板にコンタクトトレンチを形成し、コンタクトトレンチを通じて上部電極をボディ領域やソース領域と電気的に接続する構成とすることが知られている。
　この場合、コンタクトトレンチに沿ってソース領域より高不純物濃度とされたソース領域用コンタクト領域を形成することにより、上部電極と半導体基板との接触抵抗を低減することができる。なお、ソース領域用コンタクト領域は、例えば、コンタクトトレンチを形成するマスクと同じマスクを用いて構成されることにより、コンタクトトレンチの周囲に形成される。
　また、上記のような半導体装置では、アバランシェ動作によって寄生バイポーラトランジスタが作動する可能性がある。このため、コンタクトトレンチを形成する場合には、コンタクトトレンチをセル部から外周部まで延設することにより、半導体装置内に構成される寄生バイポーラトランジスタが作動することを抑制でき、アバランシェ耐量の向上を図ることができる。
　さらに、上記のような半導体装置では、セル部として、メインセル領域と、メインセル領域に流れる電流より少ない電流が流れ、メインセル領域と同じ構成とされているセンスセル領域とを有する構成とすることが考えられる。そして、半導体装置では、センスセル領域に流れる電流に基づき、メインセル領域に流れる電流を検出することが考えられる。
　しかしながら、半導体基板にコンタクトトレンチを形成し、セル部をメインセル領域とセンスセル領域とを有する構成とした場合、電流の検出精度が低下する可能性がある。すなわち、コンタクトトレンチをセル部から外周部まで延設することによってソース領域用コンタクト領域の外周部に突出する長さが長くなりすぎる場合がある。この場合、センスセル領域では、外周部に流れる電流の比率が多くなることで当該センスセル領域に流れる電流の比率が減少する。このため、電流の検出精度が低下する可能性がある。
　本開示は、電流の検出精度が低下することを抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
　本開示の１つの観点によれば、ダブルゲートのトレンチゲート構造を有する半導体素子が形成された半導体装置は、半導体素子が形成されたセル部と、セル部を囲む外周部と、を備え、セル部は、メインセル領域と、メインセル領域に流れる電流より少ない電流が流れ、メインセル領域と同じ構成とされているセンスセル領域と、を有し、メインセル領域およびセンスセル領域は、第１導電型のドリフト層を有する半導体基板と、ドリフト層上に形成された第２導電型の第１不純物領域と、第１不純物領域内における当該第１不純物領域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２不純物領域と、一方向を長手方向とすると共に第２不純物領域から第１不純物領域を貫通してドリフト層に達するストライプ状に配置された複数のゲートトレンチ内それぞれに、絶縁膜を介して、シールド電極、中間絶縁膜およびゲート電極が順に積層されてダブルゲートとされた複数のトレンチゲート構造と、トレンチゲート構造の間に形成され、一方向を長手方向とし、セル部から外周部に延設されると共に、第２不純物領域を貫通して第１不純物領域に達するコンタクトトレンチと、コンタクトトレンチの壁面に沿って形成され、第２不純物領域よりも高不純物濃度とされた第２不純物領域用コンタクト領域と、ドリフト層を挟んで第１不純物領域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導電型または第２導電型の高濃度層と、トレンチゲート構造、第１不純物領域、および第２不純物領域の上に配置され、コンタクトトレンチに繋がるコンタクトホールが形成された層間絶縁膜と、コンタクトホールおよびコンタクトトレンチを通じて第２不純物領域用コンタクト領域および第１不純物領域と電気的に接続される第１電極と、高濃度層と電気的に接続される第２電極と、を有し、セル部における一方向に沿った長さは、第２不純物領域における一方向に沿った長さとされており、第２不純物領域用コンタクト領域は、セル部から外周部まで延設されており、第２不純物領域用コンタクト領域における外周部に延設された部分の一方向に沿った長さを突出長さｄとし、第２不純物領域における一方向に沿った長さを第２不純物領域長さＡとすると、第２不純物領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａは、０．１以下とされている。
　これによれば、アバランシェ耐量の向上を図りつつ、メインセル領域およびセンスセル領域に流れる電流の比率のバラツキを小さくできる。したがって、アバランシェ耐量の向上を図りつつ、電流の検出精度が低下することを抑制できる。
　また、本開示の別の観点によれば、上記半導体装置の製造方法では、半導体基板を用意することと、第２不純物領域用コンタクト領域を形成することと、半導体基板にコンタクトトレンチを形成することと、を行い、第２不純物領域用コンタクト領域を形成することでは、第２不純物領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａが０．１以下となるようにする。
　これによれば、アバランシェ耐量の向上を図りつつ、電流の検出精度が低下することを抑制した半導体装置を製造できる。
　なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
第１実施形態における半導体装置の全体を示す模式図である。 第１実施形態における半導体装置の上面レイアウト図である。 図２中のIII－III線に沿った断面図である。 図２中のIV－IV線に沿った断面図である。 第１実施形態における半導体装置の斜視模式図である。 半導体装置がオン状態である際の電流経路を示す模式図である。 突出長さと、メインセル領域およびセンスセル領域に流れる電流の比率のバラツキとの関係に関するシミュレーション結果を示す図である。 第１実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図８Ａに続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図８Ｂに続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図８Ｃに続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 第２実施形態における半導体装置の上面レイアウト図である。 図９中のX－X線に沿った断面図である。 第３実施形態における半導体装置の上面レイアウト図である。 第３実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図１２Ａに続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。
　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、図面を参照しつつ説明する。第１実施形態について説明する。本実施形態では、半導体素子として、ダブルゲートのトレンチゲート構造を有するｎチャネルタイプの縦型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略）が備えられた半導体装置を例に挙げて説明する。
　まず、本実施形態における半導体装置は、図１に示されるように、メインセルとなるメインセル領域Ｒｍおよびセンスセルとなるセンスセル領域Ｒｓを有するセル部１と、外周部２とを有する構成とされている。メインセル領域Ｒｍおよびセンスセル領域Ｒｓは、同じ構造のＭＯＳＦＥＴが備えられ、互いの領域の間が素子分離されている。
　また、メインセル領域Ｒｍおよびセンスセル領域Ｒｓは、メインセル領域Ｒｍに流れる電流がセンスセル領域Ｒｓに所定比率だけ減少して流れるように、面積比が調整されている。特に限定されるものではないが、センスセル領域Ｒｓは、メインセル領域Ｒｍの数百～数万分の１の大きさとされている。そして、半導体装置では、流れる電流が面積比に比例するため、センスセル領域Ｒｓに流れる電流に基づき、メインセル領域Ｒｍに流れる電流が検出される。また、具体的には後述するが、本実施形態の半導体装置は、ソース領域１４を有する構成とされている。そして、本実施形態では、セル部１と外周部２とは、ソース領域１４が形成されているか否かによって区画され、ソース領域１４が形成されている部分がセル部１とされている。
　以下では、図２～図５に示されるように、ＭＯＳＦＥＴの幅方向をｘ方向とし、ｘ方向に対して交差するＭＯＳＦＥＴの奥行方向をｙ方向として半導体装置の構成を説明する。なお、上記のように、セル部１におけるメインセル領域Ｒｍとセンスセル領域Ｒｓとは、同じ構成とされている。このため、以下で説明するセル部１の構成は、メインセル領域Ｒｍおよびセンスセル領域Ｒｓの両方に適用されるものである。
　図３～図５に示されるように、本実施形態における半導体装置は、不純物濃度が高濃度とされたｎ＋型のシリコン基板等で構成される基板１１を有する半導体基板１０を用いて形成されている。基板１１の表面上には、基板１１よりも不純物濃度が低濃度とされたｎ－型のドリフト層１２が形成されている。なお、本実施形態では、基板１１がドレイン層として機能し、高濃度層に相当する。
　ドリフト層１２の表層部の所望位置には、比較的不純物濃度が低く設定されたｐ型のボディ領域１３が形成されている。ボディ領域１３は、例えば、ドリフト層１２に対してｐ型不純物をイオン注入すること等によって形成され、チャネル領域を形成するチャネル層としても機能する。なお、ボディ領域１３は、図２に示されるように、後述する複数のトレンチゲート構造の間において、ｙ方向を長手方向として形成されている。そして、ボディ領域１３は、図２に示されるように、セル部１から外周部２まで延設されている。図２中では、ボディ領域１３が形成されている部分と形成されていない部分の境界をボディ領域境界部１３ａとして破線で示している。
　ボディ領域１３の表層部には、ドリフト層１２よりも不純物濃度が高濃度とされたｎ型のソース領域１４が備えられている。なお、ソース領域１４は、図２に示されるように、後述する複数のトレンチゲート構造の間において、ｙ方向を長手方向として形成されている。但し、ソース領域１４は、ボディ領域１３内で終端するように形成されている。そして、本実施形態では、ソース領域１４が形成されている部分がセル部１とされている。図２中では、ソース領域１４が形成されている部分と形成されていない部分の境界をソース領域境界部１４ａとして示している。なお、本実施形態では、ボディ領域１３が第１不純物領域に相当し、ソース領域１４が第２不純物領域に相当している。
　そして、半導体基板１０には、ソース領域１４を貫通してボディ領域１３に達する複数のコンタクトトレンチ１５が形成されている。これにより、コンタクトトレンチ１５の底面では、ボディ領域１３が露出した状態となっている。そして、ボディ領域１３のうちのコンタクトトレンチ１５の底面から露出した部分には、ボディコンタクトとなるｐ＋型のボディ領域用コンタクト領域１３ｂが形成されている。ソース領域１４のうちのコンタクトトレンチ１５の側面から露出した部分には、ソースコンタクトとなるｎ＋型のソース領域用コンタクト領域１４ｂが形成されている。なお、本実施形態では、ソース領域用コンタクト領域１４ｂが第２不純物領域用コンタクト領域に相当する。
　ここで、コンタクトトレンチ１５は、図２に示されるように、後述する複数のトレンチゲート構造の間において、ｙ方向を長手方向として形成されている。具体的には、コンタクトトレンチ１５は、ｙ方向において、ソース領域１４から突出するように形成されている。つまり、コンタクトトレンチ１５は、セル部１から外周部２に渡って形成されている。但し、コンタクトトレンチ１５は、ｙ方向において、ボディ領域１３の内側で終端するように形成されている。また、コンタクトトレンチ１５は、ｘ方向に沿って配列されるように形成され、後述する複数のトレンチゲート構造の間にそれぞれ形成されている。つまり、コンタクトトレンチ１５は、等間隔に平行に並べられたストライプ状のレイアウトとされている。
　そして、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、図２および図５に示されるように、コンタクトトレンチ１５の周囲に形成されている。言い換えると、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、半導体基板１０の一面１０ａにおいて、コンタクトトレンチ１５を囲むように形成されている。このため、本実施形態では、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、ｙ方向において、ソース領域１４よりも突出した状態になっている。つまり、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、外周部２まで延設された状態となっている。
　ドリフト層１２の表層部のうちのボディ領域１３やソース領域１４の間には、ｙ方向（すなわち、一方向）を長手方向とし、ｘ方向に沿って配列されるように複数本のゲートトレンチ１６が形成されている。このゲートトレンチ１６はトレンチゲート構造を形成するためのトレンチであり、本実施形態では、各ゲートトレンチ１６が等間隔に平行に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。
　そして、各ゲートトレンチ１６は、ｙ方向において、セル部１から外周部２まで延設されている。本実施形態では、ゲートトレンチ１６は、図２に示されるように、外周部２において、ボディ領域１３よりも突出するように形成されている。言い換えると、ボディ領域１３は、ｙ方向において、ゲートトレンチ１６の延設方向における内側で終端している。
　ゲートトレンチ１６は、ボディ領域１３よりも深くまで形成されている。つまり、ゲートトレンチ１６は、半導体基板１０の一面１０ａ側からソース領域１４およびボディ領域１３を貫通してドリフト層１２に達する深さとされている。また、本実施形態では、ゲートトレンチ１６は、底部に向かうほど徐々に幅が狭くなり、底部が丸まった形状とされている。
　なお、複数本のゲートトレンチ１６は、ｘ方向の両端に位置するゲートトレンチ１６が外周部２に位置するように形成されている。このため、ｘ方向の両端に位置するゲートトレンチ１６は、ボディ領域１３を貫通してドリフト層１２に達するように形成されている。
　ゲートトレンチ１６の内壁面は、絶縁膜１７によって覆われている。本実施形態の絶縁膜１７は、ゲートトレンチ１６のうちの下方部分を覆っているシールド絶縁膜１７ａと上方部分を覆っているゲート絶縁膜１７ｂとを有している。具体的には、シールド絶縁膜１７ａは、ゲートトレンチ１６の底部から下方部分の側面を覆うように形成されている。ゲート絶縁膜１７ｂは、ゲートトレンチ１６の上方部分の側面を覆うように形成されている。
　ゲートトレンチ１６内には、絶縁膜１７を介してドープトＰｏｌｙ－Ｓｉによって構成されたシールド電極１８およびゲート電極１９が積層されて配置されている。つまり、ゲートトレンチ１６内には、ダブルゲートが配置されている。
　シールド電極１８は、後述するように、上部電極２２と接続されることでソース電位に固定されている。これにより、本実施形態の半導体装置では、ゲート－ドレイン間の容量を小さくでき、ＭＯＳＦＥＴの電気特性の向上を図ることができる。ゲート電極１９は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング動作を行うものであり、ゲート電圧印加時にゲートトレンチ１６の側面のボディ領域１３にチャネル領域を形成する。
　シールド電極１８とゲート電極１９との間には、中間絶縁膜２０が形成されている。これにより、シールド電極１８とゲート電極１９とが絶縁されている。そして、これらゲートトレンチ１６、絶縁膜１７、シールド電極１８、ゲート電極１９および中間絶縁膜２０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、上記のようにゲートトレンチ１６が形成されているため、図２の紙面左右方向となるｙ方向を長手方向として、図２の紙面上下方向となるｘ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。
　そして、上記のようにトレンチゲート構造のうちの長手方向の内側の部分にソース領域１４が形成されており、その部分においてＭＯＳＦＥＴとして機能させられるセル部１が構成されている。また、セル部１よりも外側となるトレンチゲート構造の先端部分は、外周部２に位置している。
　ゲートトレンチ１６の長手方向の端部では、図４に示されるように、シールド電極１８がゲート電極１９よりも外側まで延設されている。そして、これらの部分がシールドライナー１８ａとしてボディ領域１３やソース領域１４の表面側から露出させられている。また、このゲートトレンチ１６の長手方向の端部において、シールド電極１８のうちのゲート電極１９よりも外側に延設された部分とゲート電極１９の先端との間も中間絶縁膜２０のうちの先端部２０ａによって絶縁されている。
　なお、本実施形態では、シールドライナー１８ａは、セル部１を囲むように引き回されている。図２は、断面図ではないが、理解をし易くするため、シールドライナー１８ａにハッチングを施してある。また、後述する図２と対応する図においても、理解をし易くするため、シールドライナー１８ａにハッチングを施してある。
　半導体基板１０の一面１０ａ側には、ゲート電極１９を覆うように酸化膜等で構成された層間絶縁膜２１が形成されている。層間絶縁膜２１には、図３に示されるように、半導体基板１０に形成されたコンタクトトレンチ１５と連通する第１コンタクトホール２１ａが形成されている。
　なお、具体的には後述するが、本実施形態では、コンタクトトレンチ１５およびソース領域用コンタクト領域１４ｂは、次のように形成される。すなわち、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、層間絶縁膜２１に第１コンタクトホール２１ａを形成した後、層間絶縁膜２１をマスクとし、第１コンタクトホール２１ａを通じて不純物がイオン注入されて熱拡散されることで形成される。また、コンタクトトレンチ１５は、ソース領域用コンタクト領域１４ｂを形成した後、再び層間絶縁膜２１をマスクとし、ソース領域用コンタクト領域１４ｂを貫通して第１コンタクトホール２１ａと連通するように形成される。つまり、本実施形態では、ソース領域用コンタクト領域１４ｂとコンタクトトレンチ１５とは、同じ層間絶縁膜２１のマスクを用いて形成される。このため、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、コンタクトトレンチ１５の周囲に形成された状態となる。
　また、層間絶縁膜２１には、図２および図４に示されるように、外周部２において、ゲート電極１９を露出させる第２コンタクトホール２１ｂ、およびシールドライナー１８ａを露出させる第３コンタクトホール２１ｃが形成されている。
　そして、層間絶縁膜２１上には、ソース電極に相当する上部電極２２、ゲート配線２３、およびシールド配線２４が形成されている。具体的には、上部電極２２は、図２および図３に示されるように、セル部１において、接続部２２ａを通じてボディ領域１３（すなわち、ボディ領域用コンタクト領域１３ｂ）やソース領域１４（すなわち、ソース領域用コンタクト領域１４ｂ）と電気的に接続されるように形成されている。なお、接続部２２ａは、タングステン（Ｗ）プラグ等で構成されており、層間絶縁膜２１に形成された第１コンタクトホール２１ａおよびコンタクトトレンチ１５内に埋込まれている。また、本実施形態では、上部電極２２が第１電極に相当する。
　ゲート配線２３は、図４に示されるように、層間絶縁膜２１に形成された第２コンタクトホール２１ｂ内に埋め込まれたＷプラグ等の接続部２３ａを通じてゲート電極１９に電気的に接続されるように形成されている。シールド配線２４は、層間絶縁膜２１に形成された第３コンタクトホール２１ｃ内に埋め込まれたＷプラグ等の接続部２４ａを通じてシールド電極１８に電気的に接続されるように形成されている。なお、図２は、断面図ではないが、理解をし易くするため、ゲート電極１９のうちのゲート配線２３と接続される部分、およびシールド電極１８のうちのシールド配線２４と接続される部分にハッチングを施してある。また、後述する図２と対応する図においても、理解をし易くするため、これらの部分にハッチングを施してある。
　基板１１のうちドリフト層１２と反対側の面には、ドレイン電極に相当する下部電極２５が形成されている。つまり、半導体基板１０の他面１０ｂには、下部電極２５が形成されている。なお、本実施形態では、下部電極２５が第２電極に相当している。このような構成により、本実施形態における縦型のＭＯＳＦＥＴが構成されている。
　以上が本実施形態における半導体装置の構成である。なお、本実施形態では、ｎ－型、ｎ型、ｎ＋型が第１導電型に相当し、ｐ型、ｐ＋型が第２導電型に相当している。また、本実施形態では、上記のように、基板１１、ドリフト層１２、ボディ領域１３、ソース領域１４等を含んで半導体基板１０が構成されている。
　このような半導体装置は、通常のＭＯＳＦＥＴと同様に、ゲート電極１９に所定以上の電圧が印加されることにより、ボディ領域１３のうちのゲートトレンチ１６と接する部分にチャネルが形成され、ソース－ドレイン間に電流が流れることでオン状態となる。また、ゲート電極１９に印加されている電圧が所定電圧未満となると、ボディ領域１３に形成されていたチャネルが消滅し、電流が遮断されることでオフ状態となる。
　そして、上記のような半導体装置では、ドリフト層１２、ボディ領域１３、ソース領域１４による寄生バイポーラトランジスタが構成される。このため、上記のような半導体装置では、オン状態からオフ状態とする際、アバランシェ動作によって寄生バイポーラトランジスタが作動することにより、ソース－ドレイン間に過大な電流が流れる可能性がある。
　このため、本実施形態では、コンタクトトレンチ１５を外周部２まで形成している。これにより、半導体装置がアバランシェ動作した際、外周部２に発生する正孔を外周部２まで形成されたコンタクトトレンチ１５から引き抜くことができる。したがって、寄生バイポーラトランジスタが作動することを抑制でき、アバランシェ耐量の向上を図ることができる。
　ここで、具体的には後述するが、本実施形態のソース領域用コンタクト領域１４ｂおよびコンタクトトレンチ１５は、同じマスクを用いて構成される。このため、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、コンタクトトレンチ１５の周囲に形成される。したがって、コンタクトトレンチ１５の外周部２への突出長さを長くした場合、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの外周部２への突出長さも長くなる。
　そして、半導体装置をオン状態とした際には、ソース－ドレイン間に電流が流れる。この場合、図６に示されるように、電流は、基板１１、ドリフト層１２、ボディ領域１３、ソース領域１４、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの順に主経路Ｒ１を流れる。また、電流は、ドリフト層１２、ボディ領域１３、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの順に寄生経路Ｒ２を流れる。なお、主経路Ｒ１は、セル部１のみを流れる電流であり、寄生経路Ｒ２は、外周部２を介して流れる電流である。そして、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの外周部２への突出長さを長くした場合、寄生経路Ｒ２で流れる電流が大きくなり、主経路Ｒ１に流れる電流が減少する。
　この場合、センスセル領域Ｒｓは、上記のようにメインセル領域Ｒｍに対して面積が極小とされており、メインセル領域Ｒｍと比較すると、寄生経路Ｒ２の電流が大きくなることによる電流のバラツキが無視できなくなる。つまり、コンタクトトレンチ１５の外周部２への突出長さを長くした場合、アバランシェ耐量の向上を図ることができるものの、センスセル領域Ｒｓでは、流れる電流の減少比率が大きくなる。
　したがって、本発明者らは、図２および図５に示されるように、ソース領域用コンタクト領域１４ｂのうちの、セル部１からｙ方向に沿って突出した部分の長さを突出長さｄとして次の検討を行った。すなわち、本発明者らは、突出長さｄと、メインセル領域Ｒｍおよびセンスセル領域Ｒｓに流れる電流の比率のバラツキについて検討を行った。そして、本発明者らは、図７に示される結果を得た。なお、図７は、図２に示されるように、ソース領域１４におけるｙ方向に沿った長さであるソース領域長さＡを２０μｍとした場合の実験結果である。ソース領域１４におけるｙ方向に沿った長さとは、言い換えると、ゲートトレンチ１６の長手方向の長さのことであり、センスセル領域Ｒｓの長手方向の長さのことである。
　図７に示されるように、バラツキは、突出長さｄを長くするほど大きくなることが確認される。具体的には、バラツキは、突出長さｄを２μｍ以上にすると急峻に大きくなる。言い換えると、バラツキは、突出長さｄとバラツキとの関係を示す近似線において、傾きが大きくなり始める部分の第１接線Ｓ１と傾きが最大となる部分の第２接線Ｓ２との交点である２μｍ以上になると急峻に大きくなる。
　ここで、寄生経路Ｒ２を流れる電流が主経路Ｒ１に流れる電流に及ぼす影響は、主経路Ｒ１に流れる電流が大きくなるほど小さくなり、寄生経路Ｒ２に流れる電流が小さくなるほど小さくなる。つまり、寄生経路Ｒ２を流れる電流が主経路Ｒ１に流れる電流に及ぼす影響は、センスセル領域Ｒｓのｙ方向に沿った長さを長くするほど小さくなり、突出長さｄを小さくするほど小さくなる。すなわち、バラツキに対するセンスセル領域Ｒｓのｙ方向に沿った長さ（すなわち、ソース領域１４のｙ方向に沿った長さ）と突出長さｄとは、反比例の関係にある。
　このため、図７では、ソース領域長さＡが２０μｍであるため、ソース領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａが０．１より大きくなるとバラツキが急峻に大きくなるといえる。したがって、本実施形態では、ソース領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａが０．１以下となるように、ソース領域長さＡ、および突出長さｄが規定されている。なお、本実施形態では、ソース領域長さＡが第２不純物領域長さに相当している。また、以下では、ソース領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａを単にｄ／Ａともいう。
　次に、上記半導体装置における製造方法について説明する。なお、以下では、コンタクトトレンチ１５およびソース領域用コンタクト領域１４ｂに関する製造方法について、図８Ａ～図８Ｄを参照しつつ説明する。なお、図８Ａ～図８Ｄは、図２中のVIIIA－VIIIA線に沿った断面に相当している。
　まず、図８Ａに示されるように、ボディ領域１３やソース領域１４等が形成された半導体基板１０を用意する。
　次に、図８Ｂに示されるように、半導体基板１０の一面１０ａに、層間絶縁膜２１を形成し、層間絶縁膜２１に第１コンタクトホール２１ａを形成する。続いて、図８Ｃに示されるように、層間絶縁膜２１をマスクとし、第１コンタクトホール２１ａを通じてソース領域用コンタクト領域１４ｂを構成する不純物をイオン注入して熱拡散することにより、ソース領域用コンタクト領域１４ｂを形成する。この際、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、ｄ／Ａが０．１以下となるように形成される。つまり、層間絶縁膜２１に形成される第１コンタクトホール２１ａは、ｄ／Ａが０．１以下となるように、開口部のｙ方向に沿った長さが規定される。なお、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、熱拡散されて構成されるため、層間絶縁膜２１の下方に入り込んだ状態で形成される。
　次に、図８Ｄに示されるように、層間絶縁膜２１をマスクとし、第１コンタクトホール２１ａと連通すると共にソース領域用コンタクト領域１４ｂを貫通するコンタクトトレンチ１５を形成する。これにより、コンタクトトレンチ１５の周囲にソース領域用コンタクト領域１４ｂが形成された状態となる。
　その後は特に図示しないが、層間絶縁膜２１をマスクとし、第１コンタクトホール２１ａおよびコンタクトトレンチ１５を通じてボディ領域用コンタクト領域１３ｂを構成する不純物をイオン注入して熱拡散する。これにより、コンタクトトレンチ１５の底面側にボディ領域用コンタクト領域１３ｂが構成される。そして、所定の半導体製造プロセスを行って上部電極２２等を形成することにより、上記半導体装置が製造される。
　以上説明した本実施形態によれば、コンタクトトレンチ１５が外周部２まで延設されている。そして、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、ｄ／Ａが０．１以下となるように形成されている。このため、アバランシェ耐量の向上を図りつつ、メインセル領域Ｒｍおよびセンスセル領域Ｒｓに流れる電流の比率のバラツキを小さくできる。したがって、本実施形態の半導体装置では、アバランシェ耐量の向上を図りつつ、電流の検出精度が低下することを抑制できる。
　（第２実施形態）
　第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、外周部２でも上部電極２２がボディ領域１３と電気的に接続されるようにしたものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　本実施形態では、図９および図１０に示されるように、層間絶縁膜２１には、外周部２において、ボディ領域１３の表面を露出させる第４コンタクトホール２１ｄが形成されている。そして、上部電極２２は、外周部２において、層間絶縁膜２１に形成された第４コンタクトホール２１ｄ内に埋め込まれたＷプラグ等の接続部２２ｂを通じてボディ領域１３とも接続されている。つまり、外周部２に形成されたボディ領域１３には、上部電極２２と接続されるコンタクト部Ｃが構成されている。
　以上説明した本実施形態によれば、外周部２において、ボディ領域１３は、上部電極２２と電気的に接続されたコンタクト部Ｃを有する構成とされている。言い換えると、上部電極２２は、外周部２において、ボディ領域１３のコンタクト部Ｃと接続されている。したがって、半導体装置がアバランシェ動作する際、外周部２では、コンタクト部Ｃを通じて上部電極２２から正孔が引き抜かれ易くなる。これにより、さらにアバランシェ耐量の向上を図ることで半導体装置の耐圧の向上を図ることができる。
　（第３実施形態）
　第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、突出長さｄをコンタクトトレンチ１５の突出長さよりも短くしたものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　本実施形態では、図１１に示されるように、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの突出長さｄは、コンタクトトレンチ１５の突出長さよりも短くされている。但し、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、本実施形態においても、ｄ／Ａが０．１以下となるように形成されている。なお、コンタクトトレンチ１５の突出長さとは、コンタクトトレンチ１５のうちの、セル部１からｙ方向に沿った突出した部分の長さのことである。
　以上が本実施形態における半導体装置の構成である。次に、このような半導体装置におけるコンタクトトレンチ１５およびソース領域用コンタクト領域１４ｂに関する製造方法について、図１２Ａ、図１２Ｂを参照しつつ具体的に説明する。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂは、図１０中のXIIA－XIIA線に沿った断面図に相当している。
　まず、図１２Ａに示されるように、ボディ領域１３やソース領域１４等が形成された半導体基板１０を用意した後、図示しないマスクを用い、ソース領域用コンタクト領域１４ｂを形成する。なお、ソース領域用コンタクト領域１４ｂは、ｄ／Ａが０．１以下となるように形成される。
　続いて、図１２Ｂに示されるように、半導体基板１０の一面１０ａに、層間絶縁膜２１を形成し、層間絶縁膜２１に第１コンタクトホール２１ａを形成する。なお、第１コンタクトホール２１ａは、ｙ方向において、ソース領域用コンタクト領域１４ｂよりも突出するように形成される。つまり、第１コンタクトホール２１ａは、ｙ方向において、ソース領域用コンタクト領域１４ｂ、およびボディ領域１３を露出させるように形成される。
　その後は特に図示しないが、層間絶縁膜２１をマスクとし、第１コンタクトホール２１ａと連通すると共にソース領域用コンタクト領域１４ｂを貫通するコンタクトトレンチ１５を形成する。つまり、本実施形態では、ソース領域用コンタクト領域１４ｂおよびコンタクトトレンチ１５は、別のマスクを用いて形成される。
　以上説明したように、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの突出長さｄをコンタクトトレンチ１５の突出長さより短くなるようにしても、ｄ／Ａが０．１以下とされていれば、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ソース領域用コンタクト領域１４ｂとコンタクトトレンチ１５とを別のマスクを用いて形成することにより、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの突出長さｄとコンタクトトレンチ１５の突出長さとを容易に異ならせることができる。このため、半導体装置の特性に合わせ、ソース領域用コンタクト領域１４ｂの突出長さｄとコンタクトトレンチ１５の突出長さとの調整を容易にできる。
　（他の実施形態）
　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、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。
　例えば、上記各実施形態では、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を半導体装置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、他の構造の半導体装置、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としてもよい。さらに、半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ以外に、同様の構造のＩＧＢＴが形成された構成とされていてもよい。ＩＧＢＴの場合、上記各実施形態におけるｎ＋型の基板１１をＰ＋型のコレクタ層に変更する以外は、上記各実施形態で説明した縦型ＭＯＳＦＥＴと同様である。
　また、上記第３実施形態では、層間絶縁膜２１を形成する前にソース領域用コンタクト領域１４ｂを形成する例について説明したが、次のようにしてもよい。すなわち、層間絶縁膜２１に第１コンタクトホール２１ａを形成した後、層間絶縁膜２１上に、ｄ／Ａが０．１以下となるように開口部が形成されたマスクを配置してソース領域用コンタクト領域１４ｂを形成する。その後、層間絶縁膜をマスクとしてコンタクトトレンチ１５を形成するようにしてもよい。
　そして、上記各実施形態を適宜組み合わせた半導体装置とすることもできる。例えば、上記第２実施形態を上記第３実施形態に組み合わせ、外周部２において、ボディ領域１３が上部電極２２と接続されるようにしてもよい。

Claims (7)

  1. 　ダブルゲートのトレンチゲート構造を有する半導体素子が形成された半導体装置であって、
    　前記半導体素子が形成されたセル部（１）と、
    　前記セル部を囲む外周部（２）と、を備え、
    　前記セル部は、メインセル領域（Ｒｍ）と、前記メインセル領域に流れる電流より少ない電流が流れ、前記メインセル領域と同じ構成とされているセンスセル領域（Ｒｓ）と、を有し、
    　前記メインセル領域および前記センスセル領域は、
    　第１導電型のドリフト層（１２）を有する半導体基板（１０）と、
    　前記ドリフト層上に形成された第２導電型の第１不純物領域（１３）と、
    　前記第１不純物領域内における当該第１不純物領域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２不純物領域（１４）と、
    　一方向を長手方向とすると共に前記第２不純物領域から前記第１不純物領域を貫通して前記ドリフト層に達するストライプ状に配置された複数のゲートトレンチ（１６）内それぞれに、絶縁膜（１７）を介して、シールド電極（１８）、中間絶縁膜（２０）およびゲート電極（１９）が順に積層されて前記ダブルゲートとされた複数の前記トレンチゲート構造と、
    　前記トレンチゲート構造の間に形成され、前記一方向を長手方向とし、前記セル部から前記外周部に延設されると共に、前記第２不純物領域を貫通して前記第１不純物領域に達するコンタクトトレンチ（１５）と、
    　前記コンタクトトレンチの壁面に沿って形成され、前記第２不純物領域よりも高不純物濃度とされた第２不純物領域用コンタクト領域（１４ｂ）と、
    　前記ドリフト層を挟んで前記第１不純物領域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導電型または第２導電型の高濃度層（１１）と、
    　前記トレンチゲート構造、前記第１不純物領域、および前記第２不純物領域の上に配置され、前記コンタクトトレンチに繋がるコンタクトホール（２１ａ）が形成された層間絶縁膜（２１）と、
    　前記コンタクトホールおよび前記コンタクトトレンチを通じて前記第２不純物領域用コンタクト領域および前記第１不純物領域と電気的に接続される第１電極（２２）と、
    　前記高濃度層と電気的に接続される第２電極（２５）と、を有し、
    　前記セル部における前記一方向に沿った長さは、前記第２不純物領域における前記一方向に沿った長さとされており、
    　前記第２不純物領域用コンタクト領域は、前記セル部から前記外周部まで延設されており、
    　前記第２不純物領域用コンタクト領域における前記外周部に延設された部分の前記一方向に沿った長さを突出長さｄとし、前記第２不純物領域における前記一方向に沿った長さを第２不純物領域長さＡとすると、前記第２不純物領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａは、０．１以下とされている半導体装置。
  2. 　前記第１不純物領域は、前記セル部から前記外周部まで延設されており、
    　前記層間絶縁膜には、前記外周部のうちの前記セル部よりも前記一方向側に位置する部分において、前記第１不純物領域を露出させるコンタクトホール（２１ｄ）が形成されており、
    　前記第１電極は、前記外周部において、当該コンタクトホールを通じて前記第１不純物領域と電気的に接続されている請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記第２不純物領域用コンタクト領域は、前記コンタクトトレンチを囲むように形成されている請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 　半導体素子が形成されたセル部（１）と、
    　前記セル部を囲む外周部（２）と、を備え、
    　前記セル部は、メインセル領域（Ｒｍ）と、前記メインセル領域に流れる電流より少ない電流が流れ、前記メインセル領域と同じ構成とされているセンスセル領域（Ｒｓ）と、を有し、
    　前記メインセル領域および前記センスセル領域は、
    　第１導電型のドリフト層（１２）を有する半導体基板（１０）と、
    　前記ドリフト層上に形成された第２導電型の第１不純物領域（１３）と、
    　前記第１不純物領域内における当該第１不純物領域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２不純物領域（１４）と、
    　一方向を長手方向とすると共に前記第２不純物領域から前記第１不純物領域を貫通して前記ドリフト層に達するストライプ状に配置された複数のゲートトレンチ（１６）内それぞれに、絶縁膜（１７）を介して、シールド電極（１８）、中間絶縁膜（２０）およびゲート電極（１９）が順に積層されてダブルゲートとされた複数のトレンチゲート構造と、
    　前記トレンチゲート構造の間に形成され、前記一方向を長手方向とし、前記セル部から前記外周部に延設されると共に、前記第２不純物領域を貫通して前記第１不純物領域に達するコンタクトトレンチ（１５）と、
    　前記コンタクトトレンチの壁面に沿って形成され、前記第２不純物領域よりも高不純物濃度とされた第２不純物領域用コンタクト領域（１４ｂ）と、
    　前記ドリフト層を挟んで前記第１不純物領域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導電型または第２導電型の高濃度層（１１）と、
    　前記トレンチゲート構造、前記第１不純物領域、および前記第２不純物領域の上に配置され、前記コンタクトトレンチに繋がるコンタクトホール（２１ａ）が形成された層間絶縁膜（２１）と、
    　前記コンタクトホールおよび前記コンタクトトレンチを通じて前記第２不純物領域用コンタクト領域および前記第１不純物領域と電気的に接続される第１電極（２２）と、
    　前記高濃度層と電気的に接続される第２電極（２５）と、を有し、
    　前記セル部における前記一方向に沿った長さは、前記第２不純物領域における前記一方向に沿った長さとされており、
    　前記第２不純物領域用コンタクト領域は、前記セル部から前記外周部まで延設されており、
    　前記第２不純物領域用コンタクト領域における前記外周部に延設された部分の前記一方向に沿った長さを突出長さｄとし、前記第２不純物領域における前記一方向に沿った長さを第２不純物領域長さＡとすると、前記第２不純物領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａは、０．１以下とされている半導体装置の製造方法であって、
    　前記半導体基板を用意することと、
    　前記第２不純物領域用コンタクト領域を形成することと、
    　前記半導体基板に前記コンタクトトレンチを形成することと、を行い、
    　前記第２不純物領域用コンタクト領域を形成することでは、前記第２不純物領域長さＡに対する突出長さｄの比であるｄ／Ａが０．１以下となるようにする半導体装置の製造方法。
  5. 　前記第２不純物領域用コンタクト領域を形成することと、前記コンタクトトレンチを形成することとは、同じマスクを用いて行う請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 　前記半導体基板を用意することの後、前記半導体基板上に前記層間絶縁膜を形成することを行い、
    　前記層間絶縁膜を形成することの後、前記層間絶縁膜に前記コンタクトホールを形成することを行い、
    　前記第２不純物領域用コンタクト領域を形成することでは、前記層間絶縁膜をマスクとし、前記コンタクトホールを通じて前記半導体基板に不純物をイオン注入すると共に当該不純物を熱拡散させて前記第２不純物領域用コンタクト領域を形成し、
    　前記コンタクトトレンチを形成することでは、前記層間絶縁膜をマスクとし、前記コンタクトホールと連通すると共に、前記第２不純物領域用コンタクト領域を貫通する前記コンタクトトレンチを形成する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　前記第２不純物領域用コンタクト領域を形成することと、前記コンタクトトレンチを形成することとは、異なるマスクを用いて行う請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
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