JP2014049458A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきを抑制する。
【解決手段】炭化珪素基板１０１の各々の高さ位置が互いに異なるようにチャンバ３００内に炭化珪素基板３００が収められる。チャンバ３００内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも小さくなるように、チャンバ３００内の雰囲気が調整される。炭化珪素基板１０１に対して熱エッチングが行われる。熱エッチングが行われる際に、加熱されたチャンバ３００内へ炭化珪素基板１０１の上方からプロセスガスが導入される。プロセスガスは塩素ガスを含む。
【選択図】図１５

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、熱エッチングを用いたものに関するものである。

国際公開第２０１２／０１７７９６号によれば、トレンチが形成された炭化珪素基板を有するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の製造方法が開示されている。トレンチは、塩素ガスを用いた熱エッチングにより形成される。

国際公開第２０１２／０１７７９６号

上記文献に記載されているような炭化珪素半導体装置の製造を効率よく行うためには、複数の炭化珪素基板に対する熱エッチングを一括して行うことが好ましい。しかしその場合、複数の炭化珪素基板の間で熱エッチングのばらつきが生じやすかった。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきを抑制することができる、炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の工程を有する。複数の炭化珪素基板の各々の高さ位置が互いに異なるようにチャンバ内に複数の炭化珪素基板が収められる。複数の炭化珪素基板が収められたチャンバ内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも小さくなるように、チャンバ内の雰囲気が調整される。チャンバ内の雰囲気を調整する工程の後に、複数の炭化珪素基板に対して熱エッチングが行われる。熱エッチングが行われる際に、加熱されたチャンバ内へ複数の炭化珪素基板の上方からプロセスガスが導入される。プロセスガスは塩素ガスを含む。

この製造方法によれば、塩素の原子量よりも小さい平均分子量を有する雰囲気中へ複数の炭化珪素基板の上方から塩素ガスが導入される。これにより塩素ガスが上方から下方へと速やかに拡散する。よって複数の炭化珪素基板のうち上方に位置するものと下方に位置するものとの間での、熱エッチングの開始時期のずれを抑制することができる。よって複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきを抑制することができる。

チャンバ内の雰囲気が調整される際に、チャンバ内へ窒素ガスおよびヘリウムガスの少なくともいずれかが導入されてもよい。これにより塩素の原子量よりも小さい平均分子量を有する雰囲気を得ることができる。

熱エッチングが行われる際に、複数の炭化珪素基板が７００℃以上１０５０℃以下に加熱されてもよい。７００℃以上の温度が用いられることで、熱エッチングにおいて実用的なエッチングレートが得られる。１０５０℃以下の温度が用いられることで、エッチングレートが過大になることが避けられる。よってチャンバ内に塩素ガスが導入され始めた時点、すなわちチャンバ内における塩素ガス濃度のばらつきが未だ大きい時点で、エッチングが急速に進行してしまうことを避けることができる。よって複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

プロセスガスは、チャンバ内の塩素の分圧が大気圧よりも低くなるように導入されてもよい。これにより、エッチングレートが過大となることが避けられる。よってチャンバ内に塩素ガスが導入され始めた時点、すなわちチャンバ内における塩素ガス濃度のばらつきが大きい時点で、エッチングが急速に進行してしまうことを避けることができる。よって複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

プロセスガスはキャリアガスを含んでもよい。これによりチャンバ中で塩素ガスがより速やかに拡散される。よって複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

プロセスガスは酸素原子を含んでもよい。これにより熱エッチング中に生成されたカーボンを酸化反応によって除去することができる。よって熱エッチング中にカーボン被膜が形成されてしまうことに起因したエッチングレートの低下を抑制することができる。

熱エッチングが行われた後に、熱エッチングが停止するようにチャンバ内の雰囲気が変化させられてもよい。チャンバ内の雰囲気は、複数の炭化珪素基板が収められたチャンバ内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも大きくなるように変化させられてもよい。これによりチャンバ内の塩素ガスが速やかに追い出される。よって複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

上記のように本発明によれば、複数の炭化珪素基板の間での熱エッチングのばらつきを抑制することができる。

本発明の実施の一形態における炭化珪素半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素基板の形状を概略的に示す部分斜視図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１２の熱エッチングにおいて用いられる温度プロファイルの一例を示すグラフ図である。 図１２の熱エッチングの第１工程を概略的に示す断面図である。 図１２の熱エッチングの第２工程を概略的に示す断面図である。 図１２の熱エッチングの第３工程を概略的に示す断面図である。 図１２の熱エッチングの第４工程を概略的に示す断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 特殊面を有する側壁面の微視的構造を概略的に示す部分断面図である。 ポリタイプ４Ｈの六方晶における（０００−１）面の結晶構造を示す図である。 図２２の線ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩに沿う（１１−２０）面の結晶構造を示す図である。 図２１の複合面の表面近傍における結晶構造を（１１−２０）面内において示す図である。 図２１の複合面を（０１−１０）面から見た図である。 巨視的に見たチャネル面および（０００−１）面の間の角度と、チャネル移動度との関係の一例を、熱エッチングが行われた場合と行われなかった場合との各々について示すグラフ図である。 チャネル方向および＜０−１１−２＞方向の間の角度と、チャネル移動度との関係の一例を示すグラフ図である。 図２１の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”（バー）を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。

図１および図２に示すように、本実施の形態のＭＯＳＦＥＴ２０１（炭化珪素半導体装置）は、エピタキシャル基板１０１（炭化珪素基板）と、ゲート酸化膜９１（ゲート絶縁膜）と、ゲート電極９２と、層間絶縁膜９３と、ソース電極９４と、ソース配線層９５と、ドレイン電極９８とを有する。エピタキシャル基板１０１は、炭化珪素からなり、好ましくはポリタイプ４Ｈを有する。エピタキシャル基板１０１は具体的には、単結晶基板８０と、その上に設けられることで主面ＭＳを構成しているエピタキシャル層とを有する。このエピタキシャル層は、ｎドリフト層８１と、ｐベース層８２と、ｎ領域８３と、ｐコンタクト領域８４とを有する。

単結晶基板８０は、ｎ型（第１の導電型）を有する。ｎドリフト層８１は単結晶基板８０上に形成されたエピタキシャル層である。ｎドリフト層８１はｎ型を有する。ｎドリフト層８１の不純物濃度は、単結晶基板８０の不純物濃度よりも低いことが好ましい。ｎドリフト層８１のドナー濃度は、好ましくは１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、たとえば８×１０¹⁵ｃｍ^-3である。

ｐベース層８２はｐ型を有する。ｐベース層８２はｎドリフト層８１上に設けられている。ｐベース層８２の不純物濃度は、たとえば１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。ｎ領域８３はｎ型を有する。ｎ領域８３は、ｐベース層８２によってｎドリフト層８１から隔てられるようにｐベース層８２上に設けられている。ｐコンタクト領域８４はｐ型を有する。ｐコンタクト領域８４はｐベース層８２につながっている。

エピタキシャル基板１０１の単結晶基板８０と反対の面（図１における上面）、すなわち主面ＭＳには、トレンチＴＲが設けられている。トレンチＴＲは側壁面ＳＷおよび底面ＢＴを有する。側壁面ＳＷはｎ領域８３およびｐベース層８２を貫通してｎドリフト層８１に至っている。側壁面ＳＷはｐベース層８２上において、ＭＯＳＦＥＴ２０１のチャネル面を含む。

側壁面ＳＷはエピタキシャル基板１０１の主面ＭＳ（図１における上面）に対して傾斜しており、これによりトレンチＴＲは開口に向かってテーパ状に拡がっている。側壁面ＳＷの面方位は、（０００−１）面に対して５０°以上６５°以下傾斜していることが好ましい。好ましくは側壁面ＳＷは、特にｐベース層８２上の部分において、所定の結晶面（特殊面とも称する）を有する。特殊面の詳細については後述する。底面ＢＴはｎドリフト層８１上に位置している。本実施の形態においてはエピタキシャル基板１０１の主面ＭＳとほぼ平行な平坦な形状を有する。

ゲート酸化膜９１は、トレンチＴＲの側壁面ＳＷおよび底面ＢＴの各々を覆っている。ゲート電極９２はゲート酸化膜９１上に設けられている。ソース電極９４は、ｎ領域８３およびｐコンタクト領域８４の各々に接している。ソース配線層９５はソース電極９４に接している。ソース配線層９５は、たとえばアルミニウム層である。層間絶縁膜９３はゲート電極９２とソース配線層９５との間を絶縁している。

図３に示すように、単結晶基板８０上における炭化珪素のエピタキシャル成長によってｎドリフト層８１が形成される。単結晶基板８０の、エピタキシャル成長が行われる面は、｛０００−１｝面から８度以内のオフ角を有することが好ましく、（０００−１）面から８度以内のオフ角を有することがより好ましい。エピタキシャル成長はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により行われ得る。原料ガスとしては、たとえば、シラン（ＳｉＨ₄）とプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）との混合ガスを用い得る。この際、不純物として、たとえば窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）を導入することが好ましい。

図４に示すように、ｎドリフト層８１上にｐベース層８２およびｎ領域８３が形成されることでエピタキシャル基板１０１が得られる。これらの形成は、たとえばｎドリフト層８１の全面上へのイオン注入により行い得る。ｐベース層８２を形成するためのイオン注入においては、たとえばアルミニウム（Ａｌ）などの、ｐ型を付与するための不純物がイオン注入される。またｎ領域８３を形成するためのイオン注入においては、たとえばリン（Ｐ）などの、ｎ型を付与するための不純物がイオン注入される。なおイオン注入の代わり、不純物の添加をともなうにエピタキシャル成長が用いられてもよい。

図５に示すように、エピタキシャル基板１０１のｎ領域８３上にレジスト層６０が形成される。次にレジスト層６０に対する露光および現像が行われる。これにより、ｐコンタクト領域８４が形成されることになる位置に対応した開口を有するレジスト層６１（図６）が形成される。次にレジスト層６１を用いたイオン注入により、ｐコンタクト領域８４が形成される。次にレジスト層６１が除去される（図７）。次に、不純物を活性化するための熱処理が行われる。この熱処理の温度は、好ましくは１５００℃以上１９００℃以下であり、たとえば１７００℃程度である。熱処理の時間は、たとえば３０分程度である。熱処理の雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、たとえばアルゴン（Ａｒ）雰囲気である。

図８を参照して、まず、ｎ領域８３およびｐコンタクト領域８４からなる主面ＭＳ上にマスク層４０が形成される。言い換えれば、マスク層４０によって被覆された主面ＭＳを有するエピタキシャル基板１０１が準備される。好ましくはマスク層４０は主面ＭＳの熱酸化により形成される。次にマスク層４０上に、パターンを有するフォトレジスト層３０が、フォトレジストの塗布、乾燥、露光および現像により形成される。パターンの開口部はトレンチＴＲ（図１）の位置に対応して形成される。

図９に示すように、フォトレジスト層３０をマスクとして用いたエッチングによって、マスク層４０に、主面ＭＳの一部を露出する開口部ＯＰが形成される。次にフォトレジスト層３０が除去される（図１０）。

図１１に示すように、マスク層４０の開口部において、ｎ領域８３と、ｐベース層８２と、ｎドリフト層８１の一部とがエッチングにより除去される。エッチングの方法としては、たとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、特に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ＲＩＥを用いることができる。具体的には、たとえば反応ガスとしてＳＦ₆またはＳＦ₆とＯ₂との混合ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥを用いることができる。このようなエッチングにより、トレンチＴＲ（図１）が形成されるべき領域に、エピタキシャル基板１０１の厚さ方向（図中の縦方向）にほぼ沿った側壁を有する凹部ＴＱが形成される。

図１２に示すように、開口部ＯＰが形成されたマスク層４０によって被覆された主面ＭＳを有するエピタキシャル基板１０１に対して、加熱下で反応性ガスの供給が行われる。これにより熱エッチングが行われる。その結果、エピタキシャル基板１０１の主面ＭＳにトレンチＴＲが形成される。好ましくは、トレンチＴＲの形成時に、側壁面ＳＷ上、特にｐベース層８２上において、特殊面が自己形成される。

上述した、トレンチＴＲの熱エッチングによる形成方法について、図１３〜図１７を参照して、より詳しく説明する。なお図１３は、トレンチＴＲを形成するためのステップＰ１〜Ｐ５における、時間ｔと温度Ｔとの関係を示す温度プロファイルである。

図１４を参照して、各々が図１１までの工程によって形成されたエピタキシャル基板１０１が準備される。なお図１４〜図１７においては、エピタキシャル基板１０１が有する微細構造と、マスク層４０とは図示されていない。また複数のエピタキシャル基板１０１を互いに区別するために、複数のエピタキシャル基板１０１がエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄとして示されている。

また熱エッチング装置が準備される。熱エッチング装置は、チャンバ３００と、ガス導入部３０１と、ガス排出部３０２とを有する。チャンバ３００は、その内部に複数の基板を重力方向Ｇに沿って並べることができるように構成されている。ガス導入部３０１は複数の基板の上方からプロセスガスを導入するためのものである。ガス排出部３０２は、チャンバ３００からガスを排出するためのものである。ガス排出部３０２は複数の基板よりも下方に設けられていることが好ましい。

次に、エピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄの各々の高さ位置が互いに異なるようにチャンバ３００内にエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄが収められる。具体的には、エピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄがこの順に上方から配置される。言い換えれば、エピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄがこの順に重力方向Ｇに向かって並ぶように配置される。

図１５を参照して、ステップＰ１（図１３）として、複数のエピタキシャル基板１０１が収められたチャンバ３００内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも小さくなるように、チャンバ３００内の雰囲気が調整される。具体的には、チャンバ３００内のガスをガス排出部３０２から追い出すように、ガス導入部３０１からチャンバ３００内へ窒素ガスまたはヘリウムガスが導入される（矢印ＰＬ）。これによりチャンバ３００内の雰囲気が、塩素の原子量よりも小さい平均分子量を有する雰囲気に置換される。またチャンバ３００内の温度が温度ＴＥ（図１３）へと上げられる。温度ＴＥは、好ましくは６００℃以上１２５０℃以下であり、より好ましくは７００℃以上１０５０℃以下である。

図１６を参照して、ステップＰ２（図１３）として、加熱されたチャンバ３００内へガス導入部３０１からプロセスガスが導入される（矢印ＰＣ）。プロセスガスは塩素ガスを含む。これにより、温度ＴＥに加熱されたエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄに対して熱エッチングが行われる。その結果、トレンチＴＲが形成される（図１２）。なおチャンバ３００内へ導入された塩素分子（Ｃｌ₂）の原子間結合は、チャンバ３００内での加熱により切断される。プロセスガスは、チャンバ３００内の塩素の分圧が大気圧（標準的には１０１３２５Ｐａ程度）よりも低くなるように導入されてもよい。プロセスガスはキャリアガスを含んでもよい。プロセスガスは酸素原子を含んでもよい。たとえば、プロセスガスは、塩素ガス１００〜８０％および酸素ガス０〜２０％からなる混合ガスを含む。

図１７を参照して、ステップＰ３（図１３）として、熱エッチングが停止するようにチャンバ３００内の雰囲気が変化させられる。具体的には、チャンバ３００内へガス導入部３０１から、熱エッチングの作用を実質的に有しないようなガスが導入される（矢印ＰＨ）。これにより、熱エッチングのプロセスガスが追い出されるようなガス置換がなされる。好ましくはこの置換によって、チャンバ３００内の雰囲気が、チャンバ３００内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも大きくなるように変化させられる。このような置換のためのガスとしては、たとえばアルゴンガスを用い得る。

ステップＰ４（図１３）として、チャンバ３００内の雰囲気が酸素を含むものとされる。これによりチャンバ３００中のカーボンが酸化によって除去される。ステップＰ５（図１３）として、チャンバ３００中の雰囲気が不活性ガス雰囲気とされる。またチャンバ３００の温度が下げられる。十分に温度が低くなった後、エピタキシャル基板１０１（図１２）がチャンバ３００から取り出される。

次にマスク層４０（図１２）がエッチングなど任意の方法により除去される。次に、図１８に示すように、トレンチＴＲの側壁面ＳＷおよび底面ＢＴの上にゲート酸化膜９１が形成される。ゲート酸化膜９１は、たとえば熱酸化により形成され得る。

ゲート酸化膜９１の形成後に、雰囲気ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用いるＮＯアニールが行われてもよい。温度プロファイルは、たとえば、温度１１００℃以上１３００℃以下、保持時間１時間程度の条件を有する。これにより、ゲート酸化膜９１とｐベース層８２との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。なお、このような窒素原子の導入が可能であれば、ＮＯガス以外のガスが雰囲気ガスとして用いられてもよい。

このＮＯアニールの後にさらに、雰囲気ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いるＡｒアニールが行われてもよい。Ａｒアニールの加熱温度は、上記ＮＯアニールの加熱温度よりも高く、ゲート酸化膜９１の融点よりも低いことが好ましい。この加熱温度が保持される時間は、たとえば１時間程度である。これにより、ゲート酸化膜９１とｐベース層８２との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制される。なお、雰囲気ガスとして、Ａｒガスに代えて窒素ガスなどの他の不活性ガスが用いられてもよい。

図１９に示すように、ゲート酸化膜９１上にゲート電極９２が形成される。具体的には、トレンチＴＲの内部の領域をゲート酸化膜９１を介して埋めるように、ゲート酸化膜９１上にゲート電極９２が形成される。ゲート電極９２の形成方法は、たとえば、導体またはドープトポリシリコンの成膜とＣＭＰとによって行い得る。

図２０を参照して、ゲート電極９２の露出面を覆うように、ゲート電極９２およびゲート酸化膜９１上に層間絶縁膜９３が形成される。層間絶縁膜９３およびゲート酸化膜９１に開口部が形成されるようにエッチングが行われる。この開口部により主面ＭＳ上においてｎ領域８３およびｐコンタクト領域８４の各々が露出される。次に主面ＭＳ上においてｎ領域８３およびｎコンタクト領域８４の各々に接するソース電極９４が形成される。ｎドリフト層８１上に、単結晶基板８０を介して、ドレイン電極９８が形成される。

再び図１を参照して、ソース配線層９５が形成される。これにより、ＭＯＳＦＥＴ２０１が得られる。

本実施の形態によれば、塩素の原子量よりも小さい平均分子量を有する雰囲気中へエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄの上方から塩素ガスが導入される（図１６）。これにより塩素ガスが上方から下方へと速やかに拡散する。よってエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄのうち上方に位置するもの（エピタキシャル基板１０１ａ）と下方に位置するもの（エピタキシャル基板１０１ｄ）との間での、熱エッチングの開始時期のずれを抑制することができる。よってエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄの間での熱エッチングのばらつきを抑制することができる。

チャンバ３００内の雰囲気が調整される際に、チャンバ３００内へ窒素ガスおよびヘリウムガスの少なくともいずれかが導入されてもよい（図１５）。これにより塩素の原子量よりも小さい平均分子量を有する雰囲気を得ることができる。

熱エッチングが行われる際に、エピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄが７００℃以上１０５０℃以下に加熱されてもよい。７００℃以上の温度が用いられることで、熱エッチングにおいて実用的なエッチングレートが得られる。１０５０℃以下の温度が用いられることで、エッチングレートが過大になることが避けられる。よってチャンバ３００内に塩素ガスが導入され始めた時点、すなわちチャンバ３００内における塩素ガス濃度のばらつきが未だ大きい時点で、エッチングが急速に進行してしまうことを避けることができる。よってエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄの間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

プロセスガスは、チャンバ３００内の塩素の分圧が大気圧よりも低くなるように導入されてもよい。これにより、エッチングレートが過大になることが避けられる。よってチャンバ３００内に塩素ガスが導入され始めた時点、すなわちチャンバ３００内における塩素ガス濃度のばらつきが未だ大きい時点で、エッチングが急速に進行してしまうことを避けることができる。よってエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄの間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

プロセスガスはキャリアガスを含んでもよい。これによりチャンバ３００中で塩素ガスがより速やかに拡散される。よってエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄの間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

プロセスガスは酸素原子を含んでもよい。これにより熱エッチング中に生成されたカーボンを酸化反応によって除去することができる。よって熱エッチング中にカーボン被膜が形成されてしまうことに起因したエッチングレートの低下を抑制することができる。

熱エッチングが停止するようにチャンバ３００内の雰囲気が変化させられてもよい。チャンバ３００内の雰囲気は、チャンバ３００内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも大きくなるように変化させられてもよい。これによりチャンバ３００内の塩素ガスが速やかに追い出される。よってエピタキシャル基板１０１ａ〜１０１ｄの間での熱エッチングのばらつきをより抑制することができる。

次に上述した「特殊面」について詳しく説明する。上述したように、側壁面ＳＷは特殊面を有することが好ましく、以下、この場合について説明する。

図２１に示すように、特殊面を有する側壁面ＳＷは、面Ｓ１（第１の面）を含む。面Ｓ１は面方位｛０−３３−８｝を有し、好ましくは面方位（０−３３−８）を有する。好ましくは側壁面ＳＷは面Ｓ１を微視的に含む。好ましくは側壁面ＳＷはさらに面Ｓ２（第２の面）を微視的に含む。面Ｓ２は面方位｛０−１１−１｝を有し、好ましくは面方位（０−１１−１）を有する。ここで「微視的」とは、原子間隔の２倍程度の寸法を少なくとも考慮する程度に詳細に、ということを意味する。このように微視的な構造の観察方法としては、たとえばＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いることができる。

好ましくは側壁面ＳＷは複合面ＳＲを有する。複合面ＳＲは、面Ｓ１およびＳ２が周期的に繰り返されることによって構成されている。このような周期的構造は、たとえば、ＴＥＭまたはＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）により観察し得る。複合面ＳＲは面方位｛０−１１−２｝を有し、好ましくは面方位（０−１１−２）を有する。この場合、複合面ＳＲは｛０００−１｝面に対して巨視的に６２°のオフ角を有する。ここで「巨視的」とは、原子間隔程度の寸法を有する微細構造を無視することを意味する。このように巨視的なオフ角の測定としては、たとえば、一般的なＸ線回折を用いた方法を用い得る。好ましくは、チャネル面上においてキャリアが流れる方向であるチャネル方向ＣＤは、上述した周期的繰り返しが行われる方向に沿っている。

次に、複合面ＳＲの詳細な構造について説明する。
一般に、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素単結晶を（０００−１）面から見ると、図２２に示すように、Ｓｉ原子（またはＣ原子）は、Ａ層の原子（図中の実線）と、この下に位置するＢ層の原子（図中の破線）と、この下に位置するＣ層の原子（図中の一点鎖線）と、この下に位置するＢ層の原子（図示せず）とが繰り返し設けられている。つまり４つの層ＡＢＣＢを１周期としてＡＢＣＢＡＢＣＢＡＢＣＢ・・・のような周期的な積層構造が設けられている。

図２３に示すように、（１１−２０）面（図２２の線ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩの断面）において、上述した１周期を構成する４つの層ＡＢＣＢの各層の原子は、（０−１１−２）面に完全に沿うようには配列されていない。図２３においてはＢ層の原子の位置を通るように（０−１１−２）面が示されており、この場合、Ａ層およびＣ層の各々の原子は（０−１１−２）面からずれていることがわかる。このため、炭化珪素単結晶の表面の巨視的な面方位、すなわち原子レベルの構造を無視した場合の面方位が（０−１１−２）に限定されたとしても、この表面は、微視的には様々な構造をとり得る。

図２４に示すように、複合面ＳＲは、面方位（０−３３−８）を有する面Ｓ１と、面Ｓ１につながりかつ面Ｓ１の面方位と異なる面方位を有する面Ｓ２とが交互に設けられることによって構成されている。面Ｓ１および面Ｓ２の各々の長さは、Ｓｉ原子（またはＣ原子）の原子間隔の２倍である。なお面Ｓ１および面Ｓ２が平均化された面は、（０−１１−２）面（図２３）に対応する。

図２５に示すように、複合面ＳＲを（０１−１０）面から見て単結晶構造は、部分的に見て立方晶と等価な構造（面Ｓ１の部分）を周期的に含んでいる。具体的には複合面ＳＲは、上述した立方晶と等価な構造における面方位（００１）を有する面Ｓ１と、面Ｓ１につながりかつ面Ｓ１の面方位と異なる面方位を有する面Ｓ２とが交互に設けられることによって構成されている。このように、立方晶と等価な構造における面方位（００１）を有する面（図２５においては面Ｓ１）と、この面につながりかつこの面方位と異なる面方位を有する面（図２５においては面Ｓ２）とによって表面を構成することは４Ｈ以外のポリタイプにおいても可能である。ポリタイプは、たとえば６Ｈまたは１５Ｒであってもよい。

次に図２６を参照して、側壁面ＳＷの結晶面と、チャネル面の移動度ＭＢとの関係について説明する。図２６のグラフにおいて、横軸は、チャネル面を有する側壁面ＳＷの巨視的な面方位と（０００−１）面とのなす角度Ｄ１を示し、縦軸は移動度ＭＢを示す。プロット群ＣＭは側壁面ＳＷが熱エッチングによる特殊面として仕上げられた場合に対応し、プロット群ＭＣはそのような熱エッチングがなされない場合に対応する。

プロット群ＭＣにおける移動度ＭＢは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が（０−３３−８）のときに最大となった。この理由は、熱エッチングが行われない場合、すなわち、チャネル表面の微視的な構造が特に制御されない場合においては、巨視的な面方位が（０−３３−８）とされることによって、微視的な面方位（０−３３−８）、つまり原子レベルまで考慮した場合の面方位（０−３３−８）が形成される割合が確率的に高くなったためと考えられる。

一方、プロット群ＣＭにおける移動度ＭＢは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が（０−１１−２）のとき（矢印ＥＸ）に最大となった。この理由は、図２４および図２５に示すように、面方位（０−３３−８）を有する多数の面Ｓ１が面Ｓ２を介して規則正しく稠密に配置されることで、チャネル面の表面において微視的な面方位（０−３３−８）が占める割合が高くなったためと考えられる。

なお移動度ＭＢは複合面ＳＲ上において方位依存性を有する。図２７に示すグラフにおいて、横軸はチャネル方向と＜０−１１−２＞方向との間の角度Ｄ２を示し、縦軸はチャネル面の移動度ＭＢ（任意単位）を示す。破線はグラフを見やすくするために補助的に付してある。このグラフから、チャネル移動度ＭＢを大きくするには、チャネル方向ＣＤ（図２１）が有する角度Ｄ２は、０°以上６０°以下であることが好ましく、ほぼ０°であることがより好ましいことがわかった。

図２８に示すように、側壁面ＳＷは複合面ＳＲ（図２８においては直線で単純化されて示されている。）に加えてさらに面Ｓ３（第３の面）を含んでもよい。この場合、側壁面ＳＷの｛０００−１｝面に対するオフ角は、理想的な複合面ＳＲのオフ角である６２°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±１０°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が{０−３３−８}面となる表面がある。より好ましくは、側壁面ＳＷの（０００−１）面に対するオフ角は、理想的な複合面ＳＲのオフ角である６２°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±１０°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が（０−３３−８）面となる表面がある。

より具体的には側壁面ＳＷは、面Ｓ３および複合面ＳＲが周期的に繰り返されることによって構成された複合面ＳＱを含んでもよい。このような周期的構造は、たとえば、ＴＥＭまたはＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）により観察し得る。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

４０ マスク層、８０ 単結晶基板、８１ ｎドリフト層、８２ ｐベース層、８３ ｎ領域、８４ ｐコンタクト領域、９１ ゲート酸化膜（ゲート絶縁膜）、９２ ゲート電極、９３ 層間絶縁膜、９４ ソース電極、９５ ソース配線層、９８ ドレイン電極、１０１ エピタキシャル基板（炭化珪素基板）、２０１ ＭＯＳＦＥＴ（炭化珪素半導体装置）、３００ チャンバ、ＢＴ 底面、ＭＳ 主面、ＯＰ 開口部、ＳＷ 側壁面、ＴＲ トレンチ。

Claims (7)

1. 複数の炭化珪素基板の各々の高さ位置が互いに異なるようにチャンバ内に複数の炭化珪素基板を収める工程と、
   前記複数の炭化珪素基板が収められた前記チャンバ内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも小さくなるように、前記チャンバ内の雰囲気を調整する工程と、
   前記チャンバ内の雰囲気を調整する工程の後に、前記複数の炭化珪素基板に対して熱エッチングを行う工程とを備え、前記熱エッチングを行う工程は、加熱された前記チャンバ内へ前記複数の炭化珪素基板の上方からプロセスガスを導入する工程を含み、前記プロセスガスは塩素ガスを含む、炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記チャンバ内の雰囲気を調整する工程は、前記チャンバ内へ窒素ガスおよびヘリウムガスの少なくともいずれかを導入する工程を含む、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 前記熱エッチングを行う工程は、前記複数の炭化珪素基板を７００℃以上１０５０℃以下に加熱する工程を含む、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 前記プロセスガスを導入する工程は、前記チャンバ内の塩素の分圧が大気圧よりも低くなるように行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 前記プロセスガスはキャリアガスを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 前記プロセスガスは酸素原子を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
7. 前記熱エッチングが停止するように前記チャンバ内の雰囲気を変化させる工程をさらに備え、前記チャンバ内の雰囲気を変化させる工程は、前記複数の炭化珪素基板が収められた前記チャンバ内の雰囲気の平均分子量が塩素の原子量よりも大きくなるように行われる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

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