JP2014056882A - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より小さい炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板は、第１の導電型を有する第１の領域８１と、第１の領域上に設けられ第２の導電型を有する第２の領域８２と、第２の領域上に設けられ第１の導電型を有し主面ＰＴの少なくとも一部をなす第３の領域８３とを含む。主面ＰＴ上には、第３の領域８３および第２の領域８２を貫通して第１の領域８１に至る、側壁面ＳＷを有するトレンチＴＲが設けられている。側壁面ＳＷは、第１の部分ＳＷ１と、第１の部分ＳＷ１よりも深くに位置する第２の部分ＳＷ２とを有する。側壁面ＳＷの第１の部分ＳＷ１は主面ＰＴに対して６５°以上７０°以下傾いており、側壁面ＳＷの第２の部分ＳＷ２は主面ＰＴに対して５０°以上６５°未満傾いている。
【選択図】図３

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものであり、特に、ゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものである。

国際公開第２０１２／０１７７９８号によれば、トレンチの側壁面および底壁上に形成されたゲート絶縁膜を有するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が開示されている。トレンチの側壁面は、基板の主表面に対して傾斜している。このようなトレンチの形成方法の例として、次のような方法が挙げられている。まず基板上にマスクが形成される。ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって、側壁面が基板の主表面に対してほぼ垂直なトレンチが形成される。次にこの側壁面に対して熱エッチングが行われる。これにより、基板の主表面に対して傾斜した側壁面を有するトレンチが形成される。

国際公開第２０１２／０１７７９８号

上記のトレンチの形成方法によれば、熱エッチング時に、エッチングマスクの直下においてサイドエッチングが過度に進行することがあった。この場合、トレンチの開口部が大きく拡がってしまうので、トレンチを密に配置することが困難であった。よって炭化珪素半導体装置の大きさを小さくすることが困難であった。

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、より小さい炭化珪素半導体装置およびそ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は、炭化珪素基板と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを有する。炭化珪素基板は主面を有する。炭化珪素基板は、第１の導電型を有する第１の領域と、第１の領域上に設けられ第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の領域と、第２の領域上に設けられ第１の導電型を有し主面の少なくとも一部をなす第３の領域とを含む。主面上には、第３の領域および第２の領域を貫通して第１の領域に至る、側壁面を有するトレンチが設けられている。側壁面は、第１の部分と、第１の部分よりも深くに位置する第２の部分とを有する。側壁面の第１の部分は主面に対して６５°以上７０°以下傾いており、側壁面の第２の部分は主面に対して５０°以上６５°未満傾いている。ゲート絶縁膜はトレンチの側壁面を覆っている。ゲート電極はゲート絶縁膜上に設けられている。

この炭化珪素半導体装置によれば、主面に対する第２の部分の傾きが６５°未満であることにより、トレンチの底に形成される角部の角度を大きく保ち得るので、トレンチの角部における電界集中に起因した破壊を防止することができる。また主面に対する第１の部分の傾きが７０°以下であることにより、第２の部分の傾きを容易に６５°未満とすることができる。また主面に対する第２の部分の傾きが５０°以上であることにより、トレンチの平面視における面積を抑えることができる。また主面に対する第１の部分の傾きが６５°以上であることにより、トレンチの平面視における面積を抑えることができる。以上のように、この炭化珪素半導体装置によれば、耐圧および製造容易性を確保しつつ、トレンチの平面視における面積を抑えることによって炭化珪素半導体装置の大きさを小さくすることができる。

好ましくは、トレンチの側壁面は第１の部分と第２の部分との間に屈曲部を有する。屈曲部は第２の領域から離れている。これにより、屈曲部が形成される位置のわずかな変動がチャネル特性に影響を及ぼすことを避けることができる。

トレンチの側壁面上において、側壁面の第１の部分は第２の領域を含んでもよい。これによりチャネル面が側壁面の第１の部分から構成され得る。この場合、チャネル特性のばらつきが抑制される。

トレンチの側壁面上において、側壁面の第２の部分は第２の領域を含んでもよい。これによりチャネル面が側壁面の第２の部分から構成され得る。この場合、チャネル特性を最大化し得る。

好ましくはトレンチは平坦な底面を有する。より好ましくはトレンチの底面は０．５μｍ以上１．５μｍ以下の幅を有する。これにより炭化珪素半導体装置の耐圧をより高めることができる。

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
主面を有する炭化珪素基板が準備される。炭化珪素基板は、第１の導電型を有する第１の領域と、第１の領域上に設けられ第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の領域と、第２の領域上に設けられ第１の導電型を有し主面の少なくとも一部をなす第３の領域とを含む。

次に、炭化珪素基板の主面上にエッチングマスクが形成される。エッチングマスクが設けられた炭化珪素基板の主面に対して、物理的作用を有するエッチングを行うことにより、深さＤ_Rを有する凹部が形成される。

次に、エッチングマスクが設けられかつ凹部が形成された炭化珪素基板の主面に対して熱エッチングが行われる。これにより、側壁面を有するトレンチが形成される。トレンチは第３の領域および第２の領域を貫通して第１の領域に至る。トレンチは深さＤ_Vを有し、１＜Ｄ_V／Ｄ_R≦３が満たされる。

次に、トレンチの側壁面を覆うゲート絶縁膜が形成される。ゲート絶縁膜上にゲート電極が形成される。

この製造方法によれば、熱エッチングの前に、物理的作用を有するエッチングによって、Ｄ_R≧Ｄ_V／３を満たすような十分な深さの凹部が形成される。これにより必要な熱エッチングの量を少なくすることができるので、エッチングマスク直下においてサイドエッチングが過度に進むことを避けることができる。

物理的作用を有するエッチングは反応性イオンエッチングであってもよい。これにより凹部を反応性イオンエッチングにより形成することができる。

上記のように本発明によれば、炭化珪素半導体装置の大きさを小さくすることができる。

本発明の実施の形態１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主面の構成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が有する炭化珪素基板に設けられたトレンチの構成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の第１工程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の製造方法の第２工程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の製造方法の第３工程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の製造方法の第４工程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の製造方法の第５工程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の製造方法の第６工程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の製造方法の第７工程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の製造方法の第８工程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の製造方法の第９工程を概略的に示す部分断面図である。 比較例の炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素基板に設けられたトレンチの構成を概略的に示す部分斜視図である。 本発明の実施の形態２における炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素基板に設けられたトレンチの構成を概略的に示す部分斜視図である。 炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素層の表面の微細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１６の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩに沿う（１１−２０）面の結晶構造を示す図である。 図１５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１５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１５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。

（実施の形態１）
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は主面ＰＴ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、ｎドリフト層８１（第１の領域）と、ｐベース層８２（第２の領域）と、ｎ領域８３（第３の領域）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り、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（第１の導電型と異なる第２の導電型）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。ｎ領域８３およびｐコンタクト領域８４の各々は、エピタキシャル基板１０１の主面ＰＴをなしている。

主面ＰＴ上には、側壁面ＳＷおよび底面ＢＴを有するトレンチＴＲが設けられている。トレンチＴＲ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ＰＴ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。

さらに図３を参照して、側壁面ＳＷは、部分ＳＷ１（第１の部分）と、部分ＳＷ１よりも深くに位置する部分ＳＷ２（第２の部分）とを有する。部分ＳＷ１は主面ＰＴに対して６５°以上７０°以下傾いており、部分ＳＷ２は主面ＰＴに対して５０°以上６５°未満傾いている。トレンチＴＲの側壁面ＳＷは部分ＳＷ１と部分ＳＷ２との間に屈曲部ＫＫを有する。屈曲部ＫＫはｐベース層８２から離れている。部分ＳＷ１はｐベース層８２を含んでいる。これにより屈曲部ＫＫはｎドリフト層８１上に位置している。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。

部分ＳＷ１およびＳＷ２のそれぞれはエピタキシャル基板１０１の厚さ方向（図３における縦方向）において深さＤ₁およびＤ₂を有する。深さＤ₁は好ましくは０．５μｍ以上１μｍ以下である。底面ＢＴはｎドリフト層８１上に位置しており、エピタキシャル基板１０１の主面ＰＭとほぼ平行な平坦な形状を有する。底面ＢＴは好ましくは０．５μｍ以上１．５μｍ以下の幅ＷＢを有する。トレンチＴＲの開口の幅ＷＯは、好ましくは２．５μｍ以上３．５μｍ以下である。

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。

次にＭＯＳＦＥＴ２０１の製造方法について、以下に説明する。
図４を参照して、上面ＰＳを有する単結晶基板８０が準備される。上面ＰＳは、｛０００−１｝面から８°以内のオフ角を有することが好ましく、４°以内のオフ角を有することがより好ましい。この場合に｛０００−１｝面は（０００−１）面であることがより好ましい。

次に単結晶基板８０の上面ＰＳ上における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。この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５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。これにより、主面ＰＴを有するエピタキシャル基板１０１が準備される。エピタキシャル基板１０１は、ｎドリフト層８１と、ｐベース層８２と、主面ＰＴの少なくとも一部をなすｎ領域８３とを含む。ｐベース層８２およびｎ領域８３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。なおイオン注入に代わり、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６に示すように、局所的なイオン注入によって、ｐコンタクト領域８４が形成される。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Ａｒ雰囲気である。

図７に示すように、エピタキシャル基板１０１の主面ＰＴ上に、開口部を有するエッチングマスク４０が形成される。開口部はトレンチＴＲ（図１）の位置に対応して形成される。開口部の幅ＷＭは２μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。エッチングマスク４０は、主面ＰＴの熱酸化によるシリコン酸化膜の形成と、このシリコン酸化膜のパターニングとにより形成されることが好ましい。

図８に示すように、エッチングマスク４０が設けられたエピタキシャル基板１０１の主面ＰＴに対して、物理的作用を有するエッチングが行われる。これによりエッチングマスク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。このエッチングにより主面ＰＴ上に凹部ＴＱが形成される。凹部ＴＱは主面ＰＭに対してほぼ垂直な側壁面を有する。凹部ＴＱは深さＤ_Rを有する。物理的作用を有するエッチングとしては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が好ましく、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ＲＩＥがより好ましい。ＲＩＥの反応ガスとしては、ＳＦ₆またはＳＦ₆とＯ₂との混合ガスを用いることができる。

図９に示すように、エッチングマスク４０が設けられかつ凹部ＴＱが形成されたエピタキシャル基板１０１の主面ＰＴに対して、熱エッチングが行われる。これによりトレンチＴＲが形成される。トレンチＴＲは深さＤ_Vを有する。Ｄ_VとＤ_R（図８）とは、１＜Ｄ_V／Ｄ_R≦３の関係を満たす。たとえば、深さＤ_Rは０．７μｍ程度、深さＤ_Vは１．７μｍ程度であり、この場合、Ｄ_V／Ｄ_Rは２．４程度である。好ましくは、トレンチＴＲの形成時、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。特殊面の詳細については後述する。

熱エッチングは、たとえば、少なくとも１種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱によって行い得る。少なくとも１種類以上のハロゲン原子は、塩素（Ｃｌ）原子およびフッ素（Ｆ）原子の少なくともいずれかを含む。この雰囲気は、たとえば、Ｃｌ₂、ＢＣＬ₃、ＳＦ₆、またはＣＦ₄である。たとえば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を、たとえば７００℃以上１０００℃以下として、熱エッチングが行われる。

なお、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素（Ｎ₂）ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。熱処理温度が７００℃以上１０００℃以下の場合、炭化珪素のエッチング速度は、たとえば約７０μｍ／時である。上記条件下において、エッチングマスク４０の材料である酸化珪素は炭化珪素に対する選択比が極めて大きい。よってエッチングマスク４０の消耗は少ない。

次にエッチングマスク４０がエッチングなど任意の方法により除去される。
図１０に示すように、トレンチＴＲの側壁面ＳＷおよび底面ＢＴを覆うゲート酸化膜９１が形成される。ゲート酸化膜９１は熱酸化により形成されることが好ましい。

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１１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（Chemical Mechanical polishing）とによって行い得る。

図１２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ＰＴ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ＰＴ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。

図１３を参照して、本実施の形態のトレンチＴＲ（図３）に対する比較例のトレンチＴＺについて説明する。熱エッチング（図９）の際にエッチングマスク４０直下においてサイドエッチングが過度に進行すると、トレンチＴＺのような形状が生じやすい。トレンチＴＺの側壁面ＳＺは、部分ＳＺ１と、部分ＳＺ１よりも深くに位置する部分ＳＺ２とを有する。部分ＳＺ１は４５°以上５４°以下の程度傾いている。主面ＰＴに対する部分ＳＺ１の傾きは主面ＰＴに対する部分ＳＺ２の傾きよりも小さく、よってトレンチＴＺの開口の幅ＷＺが大きくなりやすい（たとえば３．５μｍ超）。このため複数のトレンチＴＺを密に配置することは困難である。トレンチＴＺのような形状は、凹部ＴＱの深さＤ_R（図８）が深さＤ_Vに対して小さすぎる場合、たとえば、深さＤ_Rが０．１μｍ程度、深さＤ_Vが１．７μｍ程度のような場合に生じやすい。また仮に複数のトレンチＴＺを密に配置しようとすると底面ＢＺの幅を小さくする必要があり、この場合、電界が集中しやすくなってしまう。またサイドエッチングが生じる程度によっては、屈曲部ＫＺがｐベース層８２上に位置することがある。この場合、屈曲部ＫＺが形成される位置のわずかな変動がチャネル特性に大きく影響を及ぼしてしまう。

一方、トレンチＴＲ（図３）を有する本実施の形態のＭＯＳＦＥＴ２０１（図１）によれば、主面ＰＴに対する部分ＳＷ２の傾きが６５°未満であることにより、トレンチＴＲの底に形成される角部ＣＲの角度を大きく保ち得る。たとえば、主面ＰＴに対する部分ＳＷ２の角度が６０°の場合、トレンチＴＲの底に形成される角部ＣＲの角度は、１８０°−６０°＝１２０°程度とされ得る。これにより、トレンチの角部における電界集中に起因した破壊を防止することができる。また主面ＰＴに対する部分ＳＷ１（図３）の傾きが７０°以下であることにより、部分ＳＷ２（図３）の傾きを容易に６５°未満とすることができる。また主面ＰＴに対する部分ＳＷ２の傾きが５０°以上であることにより、トレンチＴＲの平面視における面積を抑えることができる。また主面ＰＴに対する部分ＳＷ１の傾きが６５°以上であることにより、トレンチＴＲの平面視における面積を抑えることができる。以上のように、耐圧および製造容易性を確保しつつ、トレンチＴＲの平面視における面積を抑えることによってＭＯＳＦＥＴ２０１の大きさを小さくすることができる。

屈曲部ＫＫ（図３）はｐベース層８２から離れている。これにより、屈曲部ＫＫが形成される位置のわずかな変動がチャネル特性に影響を及ぼすことを避けることができる。

トレンチＴＲの側壁面ＳＷ上において、側壁面ＳＷの部分ＳＷ１（図３）はｐベース層８２を含む。これによりチャネル面が側壁面ＳＷの部分ＳＷ１から構成される。この場合、チャネル特性のばらつきが抑制される。

トレンチＴＲは平坦な底面ＢＴを有する。より好ましくはトレンチＴＲの底面ＢＴは０．５μｍ以上１．５μｍ以下の幅を有する。これによりＭＯＳＦＥＴ２０１の耐圧をより高めることができる。

本実施の形態の製造方法によれば、熱エッチング（図９）の前に、物理的作用を有するエッチングによって、Ｄ_R≧Ｄ_V／３を満たすような十分な深さの凹部ＴＱ（図８）が形成される。これにより、必要な熱エッチングの量を少なくすることができるので、エッチングマスク４０直下においてサイドエッチングが過度に進むことを避けることができる。物理的作用を有するエッチングはＲＩＥであってもよい。またＲＩＥの代わりに、たとえばイオンビームエッチングなどの他の方法が用いられてもよい。

またエッチングマスク４０の開口部の幅ＷＭ（図７）が２μｍ以上であることにより、トレンチＴＲの底面ＢＴの幅ＷＢ（図３）を、容易に０．５μｍ以上とすることができる。エッチングマスク４０の開口部の幅ＷＭ（図７）が４μｍ以下であることにより、エピタキシャル基板１０１上においてトレンチＴＲが占める面積が過度に大きくならないので、ＭＯＳＦＥＴ２０１のオン抵抗を抑えることができる。

本実施の形態においては第１の導電型および第２の導電型のそれぞれがｎ型およびｐ型の場合について詳しく説明したが、ｎ型およびｐ型が互いに入れ替えられてもよい。なおＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を小さくするためには、第１の導電型はｎ型であることが好ましい。

（実施の形態２）
図１４を参照して、本実施の形態のＭＯＳＦＥＴ（炭化珪素半導体装置）は、トレンチＴＲ（図３）の代わりにトレンチＴＳを有する。トレンチＴＳは側壁面ＳＸおよび底面ＢＵを有する。側壁面ＳＸは、部分ＳＸ１（第１の部分）と、部分ＳＸ１よりも深くに位置する部分ＳＸ２（第２の部分）とを有する。部分ＳＸ１は主面ＰＴに対して６５°以上７０°以下傾いており、部分ＳＸ２は主面ＰＴに対して５０°以上６５°未満傾いている。トレンチＴＳの側壁面ＳＸは部分ＳＸ１と部分ＳＸ２との間に屈曲部ＫＬを有する。屈曲部ＫＬはｐベース層８２から離れている。

部分ＳＸ２はｐベース層８２を含んでいる。これにより屈曲部ＫＬはｎ領域８３上に位置している。好ましくは側壁面ＳＸ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。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、チャネル面が側壁面ＳＸの部分ＳＸ２から構成される。これによりチャネル特性を最大化し得る。

（特殊面）
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（図３）（または側壁面ＳＸ（図１４））は、特にｐベース層８２上において特殊面を有することが好ましい。以下、側壁面ＳＷが特殊面を有する場合について説明する。

図１５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１６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１７に示すように、（１１−２０）面（図１６の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ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１７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１８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１７）に対応する。

図１９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１９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１９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２０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２０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１８および図１９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２１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１５）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２２に示すように、側壁面ＳＷは複合面ＳＲ（図２２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 エッチングマスク、８０ 単結晶基板、８１ ｎドリフト層（第１の領域）、８２ ｐベース層（第２の領域）、８３ ｎ領域（第３の領域）、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）、ＢＴ，ＢＵ，ＢＺ 底面、ＣＤ チャネル方向、ＣＲ 角部、ＫＫ，ＫＬ，ＫＺ 屈曲部、ＳＷ，ＳＸ，ＳＺ 側壁面、ＳＷ１，ＳＸ１ 部分（第１の部分）、ＳＷ２，ＳＸ２ 部分（第２の部分）、ＴＱ 凹部、ＴＲ，ＴＳ トレンチ。

Claims (8)

1. 炭化珪素半導体装置であって、
   主面を有する炭化珪素基板を備え、前記炭化珪素基板は、第１の導電型を有する第１の領域と、前記第１の領域上に設けられ前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の領域と、前記第２の領域上に設けられ前記第１の導電型を有し前記主面の少なくとも一部をなす第３の領域とを含み、前記主面上には、前記第３の領域および前記第２の領域を貫通して前記第１の領域に至る、側壁面を有するトレンチが設けられており、前記側壁面は第１の部分と前記第１の部分よりも深くに位置する第２の部分とを有し、前記側壁面の前記第１の部分は前記主面に対して６５°以上７０°以下傾いており、前記側壁面の前記第２の部分は前記主面に対して５０°以上６５°未満傾いており、前記炭化珪素半導体装置はさらに、
   前記トレンチの前記側壁面を覆うゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備える、炭化珪素半導体装置。
2. 前記トレンチの前記側壁面は前記第１の部分と前記第２の部分との間に屈曲部を有し、前記屈曲部は前記第２の領域から離れている、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記トレンチの前記側壁面上において、前記側壁面の前記第１の部分は前記第２の領域を含む、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
4. 前記トレンチの前記側壁面上において、前記側壁面の前記第２の部分は前記第２の領域を含む、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
5. 前記トレンチは平坦な底面を有する、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。
6. 前記トレンチの前記底面は０．５μｍ以上１．５μｍ以下の幅を有する、請求項５に記載の炭化珪素半導体装置。
7. 主面を有する炭化珪素基板を準備する工程を備え、前記炭化珪素基板は、第１の導電型を有する第１の領域と、前記第１の領域上に設けられ前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の領域と、前記第２の領域上に設けられ前記第１の導電型を有し前記主面の少なくとも一部をなす第３の領域とを含み、さらに
   前記炭化珪素基板の前記主面上にエッチングマスクを形成する工程と、
   前記エッチングマスクが設けられた前記炭化珪素基板の前記主面に対して、物理的作用を有するエッチングを行うことにより、深さＤ_Rを有する凹部を形成する工程と、
   前記エッチングマスクが設けられかつ前記凹部が形成された前記炭化珪素基板の前記主面に対して、熱エッチングを行うことにより、前記第３の領域および前記第２の領域を貫通して前記第１の領域に至る、側壁面を有するトレンチを形成する工程とを備え、前記トレンチは深さＤ_Vを有し、１＜Ｄ_V／Ｄ_R≦３が満たされ、さらに
   前記トレンチの前記側壁面を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
8. 前記物理的作用を有するエッチングは反応性イオンエッチングである、請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

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