JP6468112B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents
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Description
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。
特開２０１３−３４００７号公報（特許文献１）には、短いステップバンチングがないことを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハが開示されている。
本開示の一目的は、長期信頼性が向上した炭化珪素半導体装置を提供することである。
本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、ゲート絶縁膜とを備えている。炭化珪素基板は、主面を有する。ゲート絶縁膜は、主面上に設けられている。炭化珪素基板は、第１不純物領域と、第１不純物領域と同じ導電型を有しかつ第１不純物領域から物理的に離間されたドリフト領域と、ゲート絶縁膜に対面し、かつ第１不純物領域とドリフト領域との間を電気的に導通可能に構成された第２不純物領域とを含む。第２不純物領域は、第１不純物領域よりも低い格子欠陥密度を有する。主面には、主面に沿って一方向に延びるとともに、一方向における幅が一方向に垂直な方向における幅の２倍以上であり、かつ、主面からの最大深さが１０ｎｍ以下である溝部が形成されている。
上記によれば、長期信頼性が向上した炭化珪素半導体装置が提供される。
[実施形態の説明]
（１）本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置１は、炭化珪素基板１０と、ゲート絶縁膜１５とを備えている。炭化珪素基板１０は、主面１０Ａを有する。ゲート絶縁膜１５は、主面１０Ａ上に設けられている。炭化珪素基板１０は、第１不純物領域１４と、第１不純物領域１４と同じ導電型を有しかつ第１不純物領域１４から物理的に離間されたドリフト領域１２と、ゲート絶縁膜１５に対面し、かつ第１不純物領域１４とドリフト領域１２との間を電気的に導通可能に構成された第２不純物領域２とを含む。第２不純物領域２は、第１不純物領域１４よりも低い格子欠陥密度を有する。主面１０Ａには、主面１０Ａに沿って一方向Ｄに延びるとともに、一方向Ｄにおける幅Ｗ２が一方向Ｄに垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、かつ、主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である溝部２０が形成されている。
（１）本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置１は、炭化珪素基板１０と、ゲート絶縁膜１５とを備えている。炭化珪素基板１０は、主面１０Ａを有する。ゲート絶縁膜１５は、主面１０Ａ上に設けられている。炭化珪素基板１０は、第１不純物領域１４と、第１不純物領域１４と同じ導電型を有しかつ第１不純物領域１４から物理的に離間されたドリフト領域１２と、ゲート絶縁膜１５に対面し、かつ第１不純物領域１４とドリフト領域１２との間を電気的に導通可能に構成された第２不純物領域２とを含む。第２不純物領域２は、第１不純物領域１４よりも低い格子欠陥密度を有する。主面１０Ａには、主面１０Ａに沿って一方向Ｄに延びるとともに、一方向Ｄにおける幅Ｗ２が一方向Ｄに垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、かつ、主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である溝部２０が形成されている。
炭化珪素単結晶基板上において炭化珪素層をエピタキシャル成長により形成する際、当該炭化珪素層の主表面に微小なピット部３０（図２および図４参照）が形成される場合がある。当該ピット部は、炭化珪素単結晶基板から炭化珪素層に引き継がれた貫通転位に起因して形成されるものであり、数十ｎｍ程度の深さを有する窪みである。本発明者らは、炭化珪素層の表面に形成されるピット部が、表面上に形成されるゲート絶縁膜の膜厚のばらつきを増加させており、この膜厚のばらつきが炭化珪素半導体装置の長期信頼性を低下させていることを知見した。
本発明者らは、特定のエピタキシャル成長条件において、ピット部の形成を抑制できることを見出した。当該成長条件によると、ピット部が低減される一方、ピット部に比べて浅くかつ一方向に延びる溝部２０（図２および図３参照）が多数形成される。しかし当該溝部は、ピット部に比べて浅いため、ゲート絶縁膜の膜厚のばらつきに与える影響が、ピット部に比べて小さいことが分かった。
上記（１）の炭化珪素半導体装置１では、主面１０Ａには、主面１０Ａに沿って一方向Ｄに延びるとともに、一方向Ｄにおける幅Ｗ２が一方向Ｄに垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、かつ、主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である溝部２０が形成されている。当該溝部２０が形成された炭化珪素半導体装置１によれば、ピット部が多数形成された従来の炭化珪素半導体装置に比べて、ゲート絶縁膜１５の膜厚のばらつきを少なくすることができる。したがって、上記（１）の炭化珪素半導体装置では、従来の炭化珪素半導体装置よりも長期信頼性が向上することになる。またチャネルとして機能する第２不純物領域２が、エピタキシャル成長法により形成されている場合は、イオン注入により形成されている場合と比べてチャネル移動度が高くなる。
上記「溝部」の形状は、所定の欠陥検査装置を用いて第１主面１０Ａを観察することにより特定することができる。たとえば、ゲート絶縁膜１５を第１主面１０Ａ上から除去した後、第１主面１０Ａに形成された溝部２０の幅および深さなどの寸法がＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により測定される。ＡＦＭ測定が実施されたサンプルを標準試料とし、当該標準試料が複数枚準備される。
欠陥検査装置としては、たとえばレーザーテック株式会社製のＷＡＳＡＶＩシリーズ「ＳＩＣＡ ６Ｘ」を用いることができる（対物レンズ：×１０）。当該欠陥検査装置の検出感度の閾値は、上記標準試料を用いて取り決められる。これにより、当該欠陥検査装置を用いることにより、被測定サンプルに形成された「溝部」の形状を定量的に評価することができる。なお、ゲート絶縁膜は、たとえば純水により希釈したフッ酸、あるいは、フッ化アンモニウムを緩衝液として用いたフッ化アンモニウムとフッ酸の混合液により除去することができる。典型的なフッ酸の濃度範囲は、１％以上５５％以下である。
第２不純物領域２および第１不純物領域１４の格子欠陥密度は、たとえばＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いることにより測定することができる。たとえば第１主面１０Ａに平行な方向から、第２不純物領域２および第１不純物領域１４の断面をＴＥＭで観察することにより、第２不純物領域２および第１不純物領域１４の格子欠陥密度を測定することができる。
（２）上記（１）に係る炭化珪素半導体装置１において、主面１０Ａにおける溝部２０の面密度は、１０／ｍｍ2以上であってもよい。なお、溝部２０の面密度は、上記欠陥検査装置を用いて測定することができる。
（３）上記（１）または（２）に係る炭化珪素半導体装置１において、第２不純物領域２の導電型はｎ型およびｐ型のいずれかである。導電型がｎ型の場合、第２不純物領域２は窒素原子を含んでいてもよい。導電型がｐ型の場合、第２不純物領域２はアルミニウム原子を含んでいてもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに係る炭化珪素半導体装置１において、主面１０Ａに対して垂直な方向における第２不純物領域２の厚みは、０．１μｍ以上３μｍ以下であってもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに係る炭化珪素半導体装置１において、第２不純物領域２の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上であってもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに係る炭化珪素半導体装置１において、ドリフト領域１２の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3未満であってもよい。
（７）上記（１）〜（６）のいずれかに係る炭化珪素半導体装置１において、溝部２０は、第１の溝部２１と、第１の溝部２１に接続された第２の溝部２２とを含んでいてもよい。第１の溝部２１は、一方向Ｄにおいて溝部２０の一方の端部に形成されていてもよい。第２の溝部２２は、第１の溝部２１から一方向Ｄに沿って延びて一方の端部と反対側の他方の端部に至り、かつ、主面１０Ａからの深さＤ１が第１の溝部の最大深さよりも小さくてもよい。
[実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて実施の形態を説明する。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、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。
以下、図面に基づいて実施の形態を説明する。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、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。
〔炭化珪素半導体装置〕
まず、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の一例としてのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の構成について説明する。
まず、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の一例としてのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の構成について説明する。
本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１は、炭化珪素基板１０と、ゲート絶縁膜１５と、ゲート電極２７と、ソース電極１６と、ドレイン電極３と、ソースパッド電極１９と、層間絶縁膜４とを主に有している。炭化珪素基板１０は、炭化珪素単結晶基板１１と、炭化珪素単結晶基板１１上に設けられた炭化珪素層１７とを主に含んでいる。炭化珪素基板１０は、第１主面１０Ａと、第１主面１０Ａと反対側の第２主面１１Ｂとを有する。炭化珪素層１７は、第１主面１０Ａを構成する。炭化珪素単結晶基板１１は、第２主面１１Ｂを構成する。炭化珪素単結晶基板１１は、第２主面１１Ｂと、第２主面１１Ｂと反対側の第３主面１１Ａとを有する。炭化珪素層１７は、ドリフト領域１２と、ボディ領域１３と、ソース領域１４と、コンタクト領域１８とを主に含んでいる。
ソース領域１４は、たとえば窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）などのｎ型不純物を含み、ｎ型の導電型を有する。ソース領域１４は、たとえば炭化珪素層１７の第１主面１０Ａの一部を構成する。ソース領域１４は、ボディ領域１３によってドリフト領域１２から隔てられていてもよい。ソース領域１４の側面および底面の各々は、ボディ領域１３に接している。ソース領域１４が含むｎ型不純物の濃度は、ドリフト領域１２が含むｎ型不純物の濃度よりも高くてもよい。
ドリフト領域１２は、たとえば窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）などのｎ型不純物を含み、ｎ型（第１導電型）の導電型を有する不純物領域である。ドリフト領域１２は、ソース領域１４と同じ導電型を有する。ドリフト領域１２は、ソース領域１４から物理的に離間されている。ドリフト領域１２のｎ型不純物の濃度は、たとえば１×１０16ｃｍ-3未満であり、好ましくは５×１０15ｃｍ-3未満であり、より好ましくは２×１０15ｃｍ-3未満である。ドリフト領域１２のｎ型不純物の濃度の下限は、たとえば１×１０13ｃｍ-3である。
ドリフト領域１２は、第３主面１１Ａ上に設けられた第１ドリフト領域部１２ａと、第１ドリフト領域部１２ａ上に設けられ、かつ断面視（第１主面１０Ａと平行な方向から見た視野）においてボディ領域１３に挟まれた第２ドリフト領域部１２ｂとを有する。第１ドリフト領域部１２ａのｎ型不純物の濃度は、第２ドリフト領域部１２ｂのｎ型不純物の濃度と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
ボディ領域１３は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）またはホウ素（Ｂ）などのｐ型不純物を含み、ｐ型（第２導電型）の導電型を有する不純物領域である。ボディ領域１３は、第１ドリフト領域部１２ａおよび第２ドリフト領域部１２ｂの双方に接している。ボディ領域１３は、第１ボディ領域部１３ａと、第１ボディ領域部１３ａ上に設けられた第２ボディ領域部１３ｂとを有している。第１ボディ領域部１３ａは、たとえばエピタキシャル成長により形成された領域である。第２ボディ領域部１３ｂは、たとえばイオン注入により形成された領域である。第１ボディ領域部１３ａの格子欠陥密度は、第２ボディ領域部１３ｂの格子欠陥密度よりも低い。第１ボディ領域部１３ａは、第１ドリフト領域部１２ａおよび第２ドリフト領域部１２ｂの双方に接している。第２ボディ領域部１３ｂは、第２ドリフト領域部１２ｂに接している。
第２不純物領域２は、たとえば窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）などのｎ型不純物を含み、ｎ型（第１導電型）の導電型を有する不純物領域である。第２不純物領域２は、ゲート絶縁膜１５に対面する。第２不純物領域２は、ソース領域１４とドリフト領域１２との間を電気的に導通可能に構成されている。つまり、第２不純物領域２は、ソース電極１６およびドレイン電極３の間に電流が流れる際、ソース領域１４とドリフト領域１２とを繋ぐチャネルが形成される領域である。ソース領域１４は、たとえばイオン注入により形成される。第２不純物領域２は、エピタキシャル成長により形成される。第２不純物領域２は、ソース領域１４よりも低い格子欠陥密度を有する。
第２不純物領域２の導電型はｎ型およびｐ型のいずれかであればよい。第２不純物領域２の導電型が、ドリフト領域１２およびソース領域１４の導電型と同じ場合、第２不純物領域２は蓄積型チャネルとなる。反対に、第２不純物領域２の導電型が、ドリフト領域１２およびソース領域１４の導電型と異なる場合、第２不純物領域２は反転型チャネルとなる。導電型がｎ型の場合、第２不純物領域２は窒素原子を含んでいてもよい。導電型がｐ型の場合、第２不純物領域２はアルミニウム原子を含んでいてもよい。第２不純物領域２は、第１主面１０Ａに対して垂直な方向において、ドリフト領域１２とゲート絶縁膜１５とに挟まれていてもよい。同様に、第２不純物領域２は、第１主面１０Ａに対して垂直な方向において、ボディ領域１３とゲート絶縁膜１５とに挟まれていてもよい。第２不純物領域２は、第１主面１０Ａに対して平行な方向において、ボディ領域１３に挟まれていてもよい。第２不純物領域２は、ソース領域１４と、第２ボディ領域部１３ｂと、第２ドリフト領域部１２ｂと、ゲート絶縁膜１５とに接している。
図１に示されるように、第１主面１０Ａに対して垂直な方向における第２不純物領域２の厚みＴは、たとえば０．１μｍ以上３μｍ以下である。好ましくは、厚みＴは、０．１μｍ以上１μｍ以下である。厚みＴは、ソース領域１４の厚みよりも小さくてもよい。第２不純物領域２は、第１主面１０Ａの一部を構成する。第２不純物領域２のｎ型不純物の濃度は、たとえば１×１０16ｃｍ-3以上であり、好ましくは２×１０16ｃｍ-3以上であり、より好ましくは５×１０16ｃｍ-3以上である。第２不純物領域２のｎ型不純物の濃度の上限は、たとえば１×１０19ｃｍ-3である。
コンタクト領域１８は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）やホウ素（Ｂ）などのｐ型不純物を含み、ｐ型を有する。コンタクト領域１８は、第１主面１０Ａの一部を構成する。コンタクト領域１８は、ソース領域１４を貫通し、ソース電極１６とボディ領域１３とを繋いでいる。コンタクト領域１８が含むｐ型不純物の濃度は、ボディ領域１３が含むｐ型不純物の濃度よりも高くてもよい。
ゲート絶縁膜１５は、第１主面１０Ａ上に設けられている。ゲート絶縁膜１５は、第１主面１０Ａにおいて、第２不純物領域２とソース領域１４とに接する。ゲート絶縁膜１５は、たとえば二酸化珪素などの材料により構成される酸化膜である。ゲート絶縁膜１５の厚みは、たとえば４５ｎｍ以上６５ｎｍ以下である。ゲート電極２７は、たとえば不純物が添加されたポリシリコンおよびアルミニウムなどの導電体から構成されている。ゲート電極２７は、ゲート絶縁膜１５上に設けられており、第２不純物領域２とソース領域１４とに対面するように配置されている。層間絶縁膜４は、たとえば二酸化珪素を含む材料から構成されており、ゲート電極２７を取り囲むように形成されている。層間絶縁膜４は、ゲート電極２７とソース電極１６とを電気的に絶縁している。
ソース電極１６は、第１主面１０Ａ上に設けられている。ソース電極１６は、第１主面１０Ａにおいて、ソース領域１４およびコンタクト領域１８の双方と接している。好ましくは、ソース電極１６は、ソース領域１４とオーミック接合している。より好ましくは、ソース電極１６は、コンタクト領域１８とオーミック接合している。ソース電極１６は、たとえばニッケルシリコン（ＮｉxＳｉy）、チタンシリコン（ＴｉxＳｉy）、アルミシリコン（ＡｌxＳｉy）またはチタンアルミシリコン（ＴｉxＡｌyＳｉz）などの材料から構成されている。上記組成式において、ｘ，ｙ，ｚは０より大きい数である。
ソースパッド電極１９は、ソース電極１６および層間絶縁膜４を覆うように形成されている。ソースパッド電極１９は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）を含む材料から構成されている、ソース電極１６を介してソース領域１４と電気的に接続されている。
ドレイン電極３は、炭化珪素単結晶基板１１の第２主面１１Ｂに接して形成されている。ドレイン電極３は、たとえばニッケルシリコンなど、ｎ型を有する炭化珪素とオーミック接合可能な材料から構成されている。ドレイン電極３は、ソース電極１６と同様の材料から構成されていてもよい。ドレイン電極３は、炭化珪素単結晶基板１１に対して電気的に接続されている。
〔炭化珪素基板〕
次に、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１が含む炭化珪素基板１０の構成について説明する。
次に、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１が含む炭化珪素基板１０の構成について説明する。
図２は、図１の領域ＩＩの一部の拡大図である。図３および図４は、本実施形態に係る炭化珪素基板１０の平面構造を部分的に示している。図２の左側の図は、図３中に示した線分ＩＩ−ＩＩに沿った断面構造を示している。図２の右側の図は、図４中に示した線分ＩＩ−ＩＩに沿った断面構造を示している。図２〜４においては、ゲート絶縁膜１５およびドレイン電極３は省略されている。
図２に示すように、本実施形態に係る炭化珪素基板１０は、炭化珪素単結晶基板１１と、炭化珪素層１７とを有している。炭化珪素単結晶基板１１は、たとえば炭化珪素単結晶から構成されている。炭化珪素単結晶は、たとえば六方晶の結晶構造を有しており、かつポリタイプが４Ｈ型である。炭化珪素単結晶基板１１は、たとえば窒素（Ｎ）等のｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型となっている。炭化珪素層１７は、炭化珪素単結晶基板１１上に設けられており、第１主面１０Ａを構成する。
炭化珪素単結晶基板１１は、第３主面１１Ａと、当該第３主面１１Ａと反対側の第２主面１１Ｂとを有している。炭化珪素単結晶基板１１は、第３主面１１Ａにおいて炭化珪素層１７と接する。炭化珪素単結晶基板１１の主面１１Ａの直径は、たとえば１００ｍｍ以上（４インチ以上）であり、好ましくは１５０ｍｍ以上（６インチ以上）である。第３主面１１Ａは、図２に示すように、炭化珪素層１７が形成される主面である。第３主面１１Ａは、たとえば（０００１）面（以下「シリコン（Ｓｉ）面」とも称する）に対して±４°以下のオフ角を有している。オフ角のオフ方向は、たとえば＜１１−２０＞方向に対して±５°以下の範囲内にあってもよいし、＜０１−１０＞方向に対して±５°以下の範囲内にあってもよい。
ドリフト領域１２は、たとえばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により炭化珪素単結晶基板１１の第３主面１１Ａ上に形成される炭化珪素層である。より具体的には、ドリフト領域１２は、シラン（ＳｉＨ4）およびプロパン（Ｃ3Ｈ8）を原料ガスとし、窒素（Ｎ2）あるいはアンモニア（ＮＨ3）をドーパントガスとして用いたＣＶＤ法によって形成されたエピタキシャル成長膜である。ドリフト領域１２には、上記窒素あるいはアンモニアが熱分解して生成した窒素（Ｎ）原子が取り込まれており、これによりドリフト領域１２の導電型はｎ型となっている。好ましくは、ドリフト領域１２が含むｎ型不純物の濃度は、炭化珪素単結晶基板１１が含むｎ型不純物の濃度よりも低くなっている。上記のように第３主面１１Ａは（０００１）面に対してオフしているため、ドリフト領域１２はステップフロー成長により形成されている。そのため、ドリフト領域１２は炭化珪素単結晶基板１１と同様にポリタイプが４Ｈ型の炭化珪素からなり、異種ポリタイプの混在が抑制されたものとなっている。ドリフト領域１２の厚さは、たとえば５μｍ以上１５０μｍ以下程度である。
図３に示すように、第１主面１０Ａには、溝部２０が形成されている。溝部２０は、第１主面１０Ａの平面視（第１主面１０Ａに対して垂直な方向に沿って見た視野）において第１主面１０Ａに沿って一方向に延びている。より具体的には、溝部２０は、（０００１）面に対するオフ角のオフ方向に沿ったステップフロー成長方向Ｄに沿って延びている。つまり、溝部２０は、＜１１−２０＞方向に対して±５°以下の範囲内にある方向、または＜０１−１０＞方向に対して±５°以下の範囲内にある方向に沿って延びている。
溝部２０の上記一方向における幅Ｗ２は、上記一方向に垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、好ましくは５倍以上である。幅Ｗ２は１５μｍ以上５０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以上３５μｍ以下である。幅Ｗ３は１μｍ以上５μｍ以下であり、好ましくは２μｍ以上３μｍ以下である。
図２に示すように、溝部２０は、炭化珪素層１７内に存在する貫通転位４０からオフ角のオフ方向に沿うステップフロー成長方向Ｄに沿って延びるように形成されている。より具体的には、溝部２０は、貫通転位４０上に形成された第１の溝部２１と、当該第１の溝部２１に接続され、かつ当該第１の溝部２１からステップフロー成長方向Ｄに沿って延びるように形成された第２の溝部２２とを含んでいる。
第１の溝部２１は、ステップフロー成長方向Ｄにおいて溝部２０の一方の端部（図２中の左端部）に形成されている。また第１の溝部２１は、第１主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である。最大深さＤ２は、図２に示すように溝部２０全体における最大深さである。第１の溝部２１の幅Ｗ１は、好ましくは１μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以下である。
図２に示すように、第２の溝部２２は、第１の溝部２１との接続部を起点として、上記一方の端部と反対側の他方の端部（図２中の右端部）にまで至るように形成されている。言い換えれば、第２の溝部２２は、第１の溝部２１から一方向Ｄに沿って延びて一方の端部と反対側の他方の端部に至るように形成されている。第２の溝部２２は、第１主面１０Ａからの深さＤ１が第１の溝部２１の最大深さＤ２よりも小さくなるように形成されている。より具体的には、第２の溝部２２は、第１の溝部２１の最大深さＤ２よりも浅い深さを維持しながらステップフロー成長方向Ｄに沿って延びている。深さＤ１は、好ましくは３ｎｍ以下であり、より好ましくは２ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１ｎｍ以下である。また第２の溝部２２の幅Ｗ４は、たとえば２０μｍ以上であり、好ましくは２５μｍ以上である。
第１主面１０Ａにおける溝部２０の面密度は、たとえば１０／ｍｍ2以上である。当該面密度は、１００／ｍｍ2以上であってもよい。当該面密度の上限は、１０００／ｍｍ2であってもよい。ゲート絶縁膜１５に接する第２不純物領域２の表面２ａ（図１参照）における面密度が、１０／ｍｍ2以上であってもよい。
図１に示すように、ゲート絶縁膜１５は、第２不純物領域２と、ソース領域１４とに接して設けられている。ゲート絶縁膜１５は、第２不純物領域２の表面１０Ａに設けられた溝部２０上に設けられていてもよい。ゲート絶縁膜１５は、第１の溝部２１上に設けられていてもよい。ゲート絶縁膜１５は、第２不純物領域２の表面１０Ａに設けられた第２の溝部２２上に設けられていてもよいし、ピット部３０上に設けられていてもよい。図２および図４に示すように、ピット部３０が、第２不純物領域２の表面１０Ａに設けられていてもよい。図２に示すように、ピット部３０は、炭化珪素単結晶基板１１から炭化珪素層１７内に伸展する貫通転位４０に由来する。ピット部３０の最大深さＤ３は１０ｎｍより大きく、より具体的には２０ｎｍよりも大きい。図４に示すように、平面視において、ピット部３０は三角形の形状を有していてもよい。ゲート絶縁膜１５は、溝部２０が有する第１の溝部２１および第２の溝部２２を埋めるように設けられていてもよい。
〔炭化珪素半導体装置の製造方法〕
次に、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１の製造方法について説明する。
次に、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１の製造方法について説明する。
まず、炭化珪素基板準備工程（Ｓ３０：図５）が実施される。たとえば炭化珪素単結晶基板を準備する工程（Ｓ３１：図６）が実施される。たとえば昇華再結晶法を用いて結晶成長させたポリタイプ４Ｈ型の炭化珪素インゴット（図示しない）を所定の厚みにスライスすることにより、炭化珪素単結晶基板１１が準備される（図９参照）。炭化珪素単結晶基板１１は、第３主面１１Ａと、当該第３主面１１Ａと反対側の第２主面１１Ｂとを有している。第３主面１１Ａは、炭化珪素層１７が形成される主面である。第３主面１１Ａは、たとえば（０００１）面に対して±４°以下のオフ角を有している。オフ角のオフ方向は、たとえば＜１１−２０＞方向に対して±５°以下の範囲内にあってもよいし、＜０１−１０＞方向に対して±５°以下の範囲内にあってもよい。
次に、エピタキシャル成長装置４１の構成について、図７および図８を参照しながら説明する。図７は、エピタキシャル成長装置４１の側面図である。図８は、図７中の線分ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿ったエピタキシャル成長装置４１の断面図である。
図７および図８に示すように、エピタキシャル成長装置４１は、発熱体４６と、断熱材４５と、石英管４４と、誘導加熱コイル４３とを有している。発熱体４６は、たとえばカーボン材料からなる。発熱体４６は、図８に示すように、曲面部４６Ａおよび平坦部４６Ｂを含む半円筒状の中空構造を有している。発熱体４６は二つ設けられており、平坦部４６Ｂ同士が互いに対向するように配置されている。平坦部４６Ｂにより囲まれた空間が、炭化珪素単結晶基板１１の処理を行うための空間であるチャネル１Ａである。
断熱材４５は、チャネル１Ａをエピタキシャル成長装置４１の外部から断熱するための部材である。断熱材４５は、発熱体４６の外周部を取り囲むように配置されている。石英管４４は、断熱材４５の外周部を取り囲むように配置されている。誘導加熱コイル４３は、石英管４４の外周部において巻回されている。
次に、上記エピタキシャル成長装置４１を用いた結晶成長プロセスについて説明する。まず、炭化珪素単結晶基板を準備する工程（Ｓ３１：図６）において準備された炭化珪素単結晶基板１１が、エピタキシャル成長装置４１のチャネル１Ａ内に配置される。より具体的には、一方の発熱体４６上に設けられたサセプタ（図示しない）上に、炭化珪素単結晶基板１１が載置される。
次に、第１のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３２：図６）が実施される。たとえばＣ／Ｓｉ比が１未満の原料ガスを用いて、炭化珪素単結晶基板１１の第３主面１１Ａ上に第１のｎ型炭化珪素層１２ａが形成される（図９参照）。まず、チャネル１Ａ内をガス置換した後、キャリアガスを流しながら、チャネル１Ａ内を所定の圧力、たとえば６０ｍｂａｒ〜１００ｍｂａｒ（６ｋＰａ〜１０ｋＰａ）に調整する。キャリアガスは、たとえば水素（Ｈ2）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等であってもよい。キャリアガス流量は、たとえば５０ｓｌｍ〜２００ｓｌｍ程度でよい。ここで流量の単位「ｓｌｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）」は、標準状態（０℃、１０１．３ｋＰａ）における「Ｌ／ｍｉｎ」を示している。
次に、誘導加熱コイル４３に所定の交流電流を供給することにより、発熱体４６が誘導加熱される。これにより、チャネル１Ａおよび炭化珪素単結晶基板１１が載置されるサセプタが所定の反応温度にまで加熱される。このときサセプタは、たとえば１５００℃〜１７５０℃程度まで加熱される。
次に、原料ガスがチャネル１Ａに供給される。原料ガスは、Ｓｉ源ガスとＣ源ガスとを含む。Ｓｉ源ガスとしては、たとえばシラン（ＳｉＨ4）ガス、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）ガス、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）ガス、四塩化珪素（ＳｉＣｌ4）ガス等が挙げられる。すなわちＳｉ源ガスは、シランガス、ジシランガス、ジクロロシランガス、トリクロロシランガスおよび四塩化珪素ガスからなる群より選択される少なくとも１種でもよい。
Ｃ源ガスとしては、たとえば、メタン（ＣＨ4）ガス、エタン（Ｃ2Ｈ6）ガス、プロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガス等が挙げられる。すなわちＣ源ガスは、メタンガス、エタンガス、プロパンガスおよびアセチレンガスからなる群より選択される少なくとも１種でもよい。
原料ガスは、ドーパントガスを含んでいてもよい。ドーパントガスとしては、たとえば、窒素ガス、アンモニアガス等が挙げられる。
第１のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３２：図６）における原料ガスは、たとえばシランガスとプロパンガスとの混合ガスでもよい。第１のエピタキシャル層を形成する工程では、原料ガスのＣ／Ｓｉ比が１未満に調整される。Ｃ／Ｓｉ比は、１未満である限り、たとえば０．５以上でもよいし、０．６以上でもよいし、０．７以上でもよい。またＣ／Ｓｉ比は、たとえば０．９５以下でもよいし、０．９以下でもよいし、０．８以下でもよい。シランガス流量およびプロパンガス流量は、たとえば１０〜１００ｓｃｃｍ程度の範囲で、所望のＣ／Ｓｉ比となるように適宜調整すればよい。ここで流量の単位「ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）」は、標準状態（０℃、１０１．３ｋＰａ）における「ｍＬ／ｍｉｎ」を示している。
第１のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３２：図６）における成膜速度は、たとえば５μｍ／ｈ以上５０μｍ／ｈ以下程度でもよい。第１のｎ型炭化珪素層１２ａの厚さは、たとえば１μｍ以上１５０μｍ以下である。第１のｎ型炭化珪素層１２ａの厚さは、５μｍ以上でもよいし、１０μｍ以上でもよいし、１５μｍ以上でもよい。第１のｎ型炭化珪素層１２ａの厚さは、１００μｍ以下でもよいし、７５μｍ以下でもよいし、５０μｍ以下でもよい。
次に、第１のｐ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３３：図６）が実施される。第１のｎ型炭化珪素層１２ａ上に、第１のｐ型炭化珪素層１３ａがエピタキシャル成長により形成される（図１０参照）。エピタキシャル成長の際、第１のｐ型炭化珪素層１３ａには、たとえばアルミニウムまたはホウ素などのｐ型不純物がドーピングされる。次に、第１のｐ型炭化珪素層１３ａ上に開口部を有するマスク層３１が形成される。マスク層３１を用いて、第１のｐ型炭化珪素層１３ａの一部がエッチングされることにより、第１のｎ型炭化珪素層１２ａの一部が、第１のｐ型炭化珪素層１３ａから露出する（図１１参照）。エッチングされずに残った第１のｐ型炭化珪素層１３ａは、第１ボディ領域部１３ａである。
次に、第２のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３４：図６）が実施される。具体的には、第２のｎ型炭化珪素層１２ｂが、第１のｐ型炭化珪素層１３ａおよび第１のｎ型炭化珪素層１２ａ上に形成される。第２のｎ型炭化珪素層１２ｂは、第１のｐ型炭化珪素層１３ａに形成された開口部を埋めるように形成される。第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの厚みは、第１のｐ型炭化珪素層１３ａの厚み以上であることが好ましい。第２のｎ型炭化珪素層１２ｂは、第１のｎ型炭化珪素層１２ａを形成する方法と同様の方法を用いて、エピタキシャル成長により形成される。
次に、第２のｎ型炭化珪素層に対して化学的機械研磨を行う工程（Ｓ３５：図６）が実施される。具体的には、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により、第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの表面が平坦化される（図１３参照）。たとえば、第１のｐ型炭化珪素層１３ａ上の第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの部分の厚みが、第１のｐ型炭化珪素層１３ａの厚みと同程度になるまで、第２のｎ型炭化珪素層１２ｂに対してＣＭＰが行われる。
次に、第１のｐ型不純物をイオン注入する工程（Ｓ３６：図６）が実施される。ｐ型不純物がイオン注入される領域に開口部を有するマスク層３２が第２のｎ型炭化珪素層１２ｂ上に形成される。マスク層３２を用いて、たとえばアルミニウムまたはホウ素などのｐ型不純物が、第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの表面にイオン注入される（図１４参照）。これにより、第１ボディ領域部１３ａと接する第２ボディ領域部１３ｂが形成される。次に、マスク層３２が除去される。
次に、第２のｎ型炭化珪素層の表面を再構成する工程（Ｓ３７：図６）が実施される。表面を再構成する工程では、第１のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３２：図６）および第２のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３４：図６）におけるサセプタの温度よりも、サセプタの温度を１０〜３０℃程度上昇させてもよい。
表面を再構成する工程では、Ｃ／Ｓｉ比が１未満の原料ガスと、水素ガスとを含む混合ガスが用いられる。原料ガスのＣ／Ｓｉ比は、第１のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３２：図６）および第２のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３４：図６）におけるＣ／Ｓｉ比より低くてもよい。Ｃ／Ｓｉ比は、１未満である限り、０．５以上でもよいし、０．６以上でもよいし、０．７以上でもよい。またＣ／Ｓｉ比は、たとえば０．９５以下でもよいし、０．９以下でもよいし、０．８以下でもよい。ここで、「Ｃ／Ｓｉ比」とは、原料ガス中の珪素（Ｓｉ）原子数に対する炭素（Ｃ）原子数の比を示す。「表面を再構成する」とは、水素ガスによるエッチング、および原料ガスによるエピタキシャル成長により、第１のエピタキシャル層の表面性状を変化させることを示す。再構成する工程を経ることにより、第１のエピタキシャル層の厚さは、減少することもあるし、増加することもあるし、あるいは実質的に変化しないこともある。
表面を再構成する工程では、第１のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３２：図６）、第２のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３４：図６）および後述の第３のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３８：図６）における原料ガスと異なる原料ガスを用いてもよい。こうした態様により、ピット部形成の抑制効果が大きくなることが期待される。たとえば第２のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３４：図６）および後述の第３のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３８：図６）では、シランガスおよびプロパンガスを用い、表面を再構成する工程では、ジクロロシランおよびアセチレンを用いる等の態様が考えられる。
表面を再構成する工程では、第２のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３４：図６）および後述の第３のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３８：図６）と比較して、水素ガス流量に対する原料ガス流量の比率を低下させてもよい。これにより、ピット部を浅くする効果が大きくなることが期待される。
混合ガスにおける水素ガス流量は、たとえば１００ｓｌｍ以上１５０ｓｌｍ以下程度でよい。水素ガス流量は、たとえば１２０ｓｌｍ程度でもよい。混合ガスにおけるＳｉ源ガス流量は、たとえば１ｓｃｃｍ以上５ｓｃｃｍ以下でもよい。Ｓｉ源ガス流量の下限は、２ｓｃｃｍでもよい。Ｓｉ源ガス流量の上限は、４ｓｃｃｍでもよい。混合ガスにおけるＣ源ガス流量は、たとえば０．３ｓｃｃｍ以上１．６ｓｃｃｍ以下でもよい。Ｃ源ガス流量の下限は、０．５ｓｃｃｍでもよいし、０．７ｓｃｃｍでもよい。Ｃ源ガス流量の上限は、１．４ｓｃｃｍでもよいし、１．２ｓｃｃｍでもよい。
表面を再構成する工程では、通常のエピタキシャル成長と比べて、水素ガス流量に対する原料ガス流量の比率を低下させ、水素ガスによるエッチングと、原料ガスによるエピタキシャル成長とが拮抗した状態となるように、各種条件を調整することが望ましい。たとえば成膜速度が０±０．５μｍ／ｈ程度となるように、水素ガス流量および原料ガス流量を調整することが考えられる。成膜速度は、０±０．４μｍ／ｈ程度に調整してもよいし、０±０．３μｍ／ｈ程度に調整してもよいし、０±０．２μｍ／ｈ程度に調整してもよいし、０±０．１μｍ／ｈ程度に調整してもよい。これにより、ピット部を浅くする効果が大きくなることが期待される。
表面を再構成する工程における処理時間は、たとえば３０分以上１０時間以下程度である。処理時間は、８時間以下でもよいし、６時間以下でもよいし、４時間以下でもよいし、２時間以下でもよい。
前述の貫通転位には、貫通らせん転位、貫通刃状転位およびこれらの転位が混合した混合転位が含まれる。各転位をバーガースベクトルｂで表現すると、貫通らせん転位（ｂ＝＜０００１＞）、貫通刃状転位（ｂ＝１／３＜１１−２０＞）、混合転位（ｂ＝＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞）となる。ゲート絶縁膜の膜厚のばらつきに影響を及ぼすピット部は、貫通らせん転位、貫通刃状転位および混合転位に起因して形成されると考えられる。転位周辺の歪が比較的大きい、貫通らせん転位および混合転位に起因して形成されるピット部は深さが深い。
第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの表面を再構成することにより、貫通らせん転位および混合転位に起因して形成されるピット部を浅くする効果が期待できる。その上で、原料ガスのＣ／Ｓｉ比を１未満の値から１より大きい値に変更し、後述するように第３のｎ型炭化珪素層２を成長させる。これにより、貫通らせん転位および混合転位に起因するピット部を浅くする効果が大きくなると考えられる。
次に、第３のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３８：図６）が実施される。第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの表面を再構成した後、当該表面上に第３のｎ型炭化珪素層２が形成される。第３のｎ型炭化珪素層２（図２を参照）は、Ｃ／Ｓｉ比が１より大きい原料ガスを用いて形成される。Ｃ／Ｓｉ比は、１より大きい限り、たとえば１．０５以上でもよいし、１．１以上でもよいし、１．２以上でもよいし、１．３以上でもよいし、１．４以上でもよい。またＣ／Ｓｉ比は、２．０以下でもよいし、１．８以下でもよいし、１．６以下でもよい。これにより、第２のｎ型炭化珪素層１２ｂおよび第２ボディ領域部１３ｂ上に、第３のｎ型炭化珪素層２が形成される（図１５参照）。
第３のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３８：図６）における原料ガスは、第１のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３２：図６）および第２のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３４：図６）で用いた原料ガスと同じでもよいし、異なっていてもよい。原料ガスは、たとえばシランガスおよびプロパンガスでもよい。シランガス流量およびプロパンガス流量は、たとえば１０〜１００ｓｃｃｍ程度の範囲で、所望のＣ／Ｓｉ比となるように適宜調整すればよい。キャリアガス流量は、たとえば５０ｓｌｍ〜２００ｓｌｍ程度でよい。
第３のｎ型炭化珪素層をエピタキシャル形成する工程（Ｓ３８：図６）における成膜速度は、たとえば５μｍ／ｈ以上５０μｍ／ｈ以下程度でもよい。第３のｎ型炭化珪素層２の厚さは、たとえば０．１μｍ以上３μｍ以下であり、好ましくは０．１μｍ以上１μｍ以下である。
第３のｎ型炭化珪素層２の厚さは、第１のｎ型炭化珪素層１２ａおよび第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの厚さの合計よりも小さくてもよい。たとえば、第１のｎ型炭化珪素層１２ａおよび第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの厚さの合計に対する第３のｎ型炭化珪素層２の厚さの比は、０．０１以上０．９以下程度でもよい。ここで同厚さの比は、第３のｎ型炭化珪素層２の厚さを、表面を再構成する工程を経た第１のｎ型炭化珪素層１２ａおよび第２のｎ型炭化珪素層１２ｂの厚さの合計で除した値を示している。同厚さの比は、０．８以下でもよいし、０．７以下でもよいし、０．６以下でもよいし、０．５以下でもよいし、０．４以下でもよいし、０．３以下でもよいし、０．２以下でもよいし、０．１以下でもよい。これにより、ピット部を浅くする効果が大きくなることが期待される。
以上より、図２に示すように、第１のｎ型炭化珪素層１２ａと第２のｎ型炭化珪素層１２ｂと第３のｎ型炭化珪素層２と含む炭化珪素層１７が形成される。炭化珪素層１７において、第１のｎ型炭化珪素層１２ａと第２のｎ型炭化珪素層１２ｂと第３のｎ型炭化珪素層２とは、渾然一体となり区別できない場合もある。
図３に示すように、炭化珪素層１７の第１主面１０Ａには、溝部２０が形成されている。溝部２０は、第１主面１０Ａの平面視において第１主面１０Ａに沿って一方向に延びている。より具体的には、溝部２０は、（０００１）面に対するオフ角のオフ方向に沿ったステップフロー成長方向Ｄに沿って延びている。つまり、溝部２０は、＜１１−２０＞方向に対して±５°以下の範囲内にある方向、または＜０１−１０＞方向に対して±５°以下の範囲内にある方向に沿って延びている。
溝部２０の上記一方向における幅Ｗ２は、上記一方向に垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、好ましくは５倍以上である。幅Ｗ２は１５μｍ以上５０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以上３５μｍ以下である。幅Ｗ３は１μｍ以上５μｍ以下であり、好ましくは２μｍ以上３μｍ以下である。
図２に示すように、溝部２０は、炭化珪素層１７内に存在する貫通転位４０からステップフロー成長方向Ｄに沿って延びるように形成されている。より具体的には、溝部２０は、貫通転位４０上に形成された第１の溝部２１と、当該第１の溝部２１に接続され、かつ当該第１の溝部２１からステップフロー成長方向Ｄに沿って延びるように形成された第２の溝部２２とを含んでいる。
第１の溝部２１は、ステップフロー成長方向Ｄにおいて溝部２０の一方の端部（図２中の左端部）に形成されている。また第１の溝部２１は、第１主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である。この最大深さＤ２は、図２に示すように溝部２０全体における最大深さである。また第１の溝部２１の幅Ｗ１は、好ましくは１μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以下である。
図２に示すように、第２の溝部２２は、第１の溝部２１との接続部を起点として、上記一方の端部と反対側の他方の端部（図２中の右端部）にまで至るように形成されている。また第２の溝部２２は、第１主面１０Ａからの深さＤ１が第１の溝部２１の最大深さＤ２よりも小さくなるように形成されている。より具体的には、第２の溝部２２は、第１の溝部２１の最大深さＤ２よりも浅い一定の深さを維持しながらステップフロー成長方向Ｄに沿って延びている。深さＤ１は、好ましくは３ｎｍ以下であり、より好ましくは２ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１ｎｍ以下である。また第２の溝部２２の幅Ｗ４は、たとえば２０μｍ以上であり、好ましくは２５μｍ以上である。
次に、ｎ型不純物をイオン注入する工程（Ｓ３９：図６）が実施される。たとえば、ソース領域１４が形成される領域上に開口部を有するマスク層３３が形成される。マスク層３３を用いて、第３のｎ型炭化珪素層２の表面に対して、リンなどのｎ型不純物がイオン注入される。これにより、ｎ型の導電型を有するソース領域１４が形成される（図１６参照）。ソース領域１４のｎ型不純物の濃度は、第３のｎ型炭化珪素層２のｎ型不純物の濃度よりも高くなる。ソース領域１４がイオン注入により形成されるため、ソース領域１４の格子欠陥密度は、第２不純物領域２の格子欠陥密度よりも高くなる。
次に、第２のｐ型不純物をイオン注入する工程（Ｓ４０：図６）が実施される。たとえば、コンタクト領域１８が形成される領域上に開口部を有するマスク層（図示せず）が形成される。当該マスク層を用いて、ソース領域１４の表面に対して、アルミニウムなどのｐ型不純物がイオン注入される。これにより、ｐ型の導電型を有するコンタクト領域１８が形成される。コンタクト領域１８のｐ型不純物の濃度は、ボディ領域１３のｐ型不純物の濃度よりも高くてもよい。次に、マスク層が除去される。以上により、ドリフト領域１２と、ボディ領域１３と、ソース領域１４と、コンタクト領域１８と、第２不純物領域２とを含む炭化珪素層１７と、炭化珪素単結晶基板１１とを有する炭化珪素基板１０が準備される（図１７参照）。
次に、活性化アニール工程（Ｓ５０：図５）が実施される。たとえば、炭化珪素層１７が、たとえばアルゴン雰囲気中において１８００℃程度に加熱されることにより、当該炭化珪素層１７内にイオン注入されたｎ型不純物およびｐ型不純物が活性化する。これにより、炭化珪素層１７内のボディ領域１３、ソース領域１４およびコンタクト領域１８において所望のキャリアが発生する。
次に、ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ６０：図５）が実施される。たとえば、酸素（Ｏ2）を含む雰囲気中において炭化珪素基板１０を熱酸化することにより、第１主面１０Ａ上に二酸化珪素（ＳｉＯ2）を含む材料からなるゲート絶縁膜１５が形成される（図１８参照）。ゲート絶縁膜１５は、第２不純物領域２とソース領域１４とコンタクト領域１８とに接して形成される。第１主面１０Ａには、第１主面１０Ａに沿って一方向に延びるとともに、一方向における幅Ｗ２が一方向に垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、かつ、第１主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である溝部２０（図２参照）が形成されている。つまり、第１主面１０Ａにおいて、ピット部３０の形成が抑制されているため（図２）、第１主面１０Ａ上に形成されたゲート絶縁膜１５の厚みのばらつきが低減される。
次に、窒素アニール工程（Ｓ６５：図５）が実施される。たとえば、窒素原子を含む雰囲気において、１１００℃以上の温度で、炭化珪素基板１０およびゲート絶縁膜１５が加熱される。窒素を含む雰囲気とは、たとえば一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ2）およびアンモニア等である。好ましくは、ゲート絶縁膜１５が形成された炭化珪素基板１０が、窒素を含む気体中において、１１００℃以上１４００℃以下の温度で、１時間程度保持される。
次に、ゲート電極形成工程（Ｓ７０：図５）が実施される。たとえば、ＬＰ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）ＣＶＤ法により、不純物添加されたポリシリコンを含む導電性材料からなるゲート電極２７がゲート絶縁膜１５上に形成される。ゲート電極２７は、ゲート絶縁膜１５上において、第２不純物領域２とソース領域１４とに対面する位置に形成される。
次に、層間絶縁膜形成工程（Ｓ８０：図５）が実施される。たとえば、ＣＶＤ法によりゲート絶縁膜１５上に形成され、かつゲート電極２７を覆うように層間絶縁膜４が形成される。層間絶縁膜４は、たとえば二酸化珪素を含む材料からなる。
次に、オーミック電極形成工程（Ｓ９０：図５）が実施される。たとえば、ソース電極１６が形成される領域におけるゲート絶縁膜１５および層間絶縁膜４がエッチングにより除去される。これにより、ソース領域１４およびコンタクト領域１８が露出した領域が形成される（図１９参照）。次に、当該領域において、ソース領域１４およびコンタクト領域１８の双方に接するように、たとえばＴｉとＡｌとＳｉとを含む金属膜が形成される。次に、金属膜が加熱されることにより上記金属膜の少なくとも一部がシリサイド化する。これにより、第１主面１０Ａ上において、ソース領域１４およびコンタクト領域１８の双方に接するソース電極１６が形成される。
次に、パッド電極形成工程（Ｓ１００：図５）が実施される。たとえば蒸着法によりアルミニウムを含む導電体から構成されるソースパッド電極１９が、ソース電極１６および層間絶縁膜４を覆うように形成される。次に、炭化珪素単結晶基板１１の第２主面１１Ｂに接するドレイン電極３が形成される。次に、たとえばダイシングブレードにより、炭化珪素基板１０が複数のチップに分割される。以上より、図１に示すＭＯＳＦＥＴ１が完成する。
上記実施の形態においては、第１導電型をｎ型とし、かつ第２導電型をｐ型として説明したが、第１導電型をｐ型とし、かつ第２導電型をｎ型としてもよい。また本実施形態においては、炭化珪素半導体装置がプレーナ型のＭＯＳＦＥＴである場合について説明したが、炭化珪素半導体装置はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。
次に、本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴの作用効果について説明する。
本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、主面１０Ａには、主面１０Ａに沿って一方向Ｄに延びるとともに、一方向Ｄにおける幅Ｗ２が一方向Ｄに垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、かつ、主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である溝部２０が形成されている。すなわち、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、炭化珪素層１７のエピタキシャル成長の条件等が制御されることにより、数十ｎｍの深さを有する上記ピット部３０に比べて上記溝部２０がより多数形成されたものになっている。したがって、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１は、上記ピット部３０が多数形成された従来のＭＯＳＦＥＴに比べて、ゲート絶縁膜１５の膜厚のばらつきを少なくすることができる。結果として、ＭＯＳＦＥＴ１の長期信頼性が向上する。またチャネルとして機能する第２不純物領域２が、エピタキシャル成長法により形成されている。そのため、第２不純物領域２がイオン注入により形成されている場合と比べてチャネル移動度が高くなる。
本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、主面１０Ａには、主面１０Ａに沿って一方向Ｄに延びるとともに、一方向Ｄにおける幅Ｗ２が一方向Ｄに垂直な方向における幅Ｗ３の２倍以上であり、かつ、主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である溝部２０が形成されている。すなわち、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、炭化珪素層１７のエピタキシャル成長の条件等が制御されることにより、数十ｎｍの深さを有する上記ピット部３０に比べて上記溝部２０がより多数形成されたものになっている。したがって、本実施形態に係るＭＯＳＦＥＴ１は、上記ピット部３０が多数形成された従来のＭＯＳＦＥＴに比べて、ゲート絶縁膜１５の膜厚のばらつきを少なくすることができる。結果として、ＭＯＳＦＥＴ１の長期信頼性が向上する。またチャネルとして機能する第２不純物領域２が、エピタキシャル成長法により形成されている。そのため、第２不純物領域２がイオン注入により形成されている場合と比べてチャネル移動度が高くなる。
また本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、主面１０Ａにおける溝部２０の面密度は、１０／ｍｍ2以上である。
さらに本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、第２不純物領域２の導電型はｎ型およびｐ型のいずれかである。導電型がｎ型の場合、第２不純物領域２は窒素原子を含んでいる。導電型がｐ型の場合、第２不純物領域２はアルミニウム原子を含んでいる。
さらに本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、主面１０Ａに対して垂直な方向における第２不純物領域２の厚みは、０．１μｍ以上３μｍ以下である。
さらに本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、第２不純物領域２の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上である。
さらに本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、ドリフト領域１２の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3未満である。
さらに本実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴ１によれば、溝部２０は、第１の溝部２１と、第１の溝部２１に接続された第２の溝部２２とを含んでいる。第１の溝部２１は、一方向Ｄにおいて溝部２０の一方の端部に形成され、かつ、主面１０Ａからの最大深さＤ２が１０ｎｍ以下である。第２の溝部２２は、第１の溝部２１から一方向Ｄに沿って延びて一方の端部と反対側の他方の端部に至るように形成され、かつ、主面１０Ａからの深さＤ１が第１の溝部の最大深さよりも小さくなるように形成されている。
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実施形態ではなく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。
１ 炭化珪素半導体装置（ＭＯＳＦＥＴ）
１Ａ チャネル
２ 第２不純物領域（第３のｎ型炭化珪素層）
２ａ 表面
３ ドレイン電極
４ 層間絶縁膜
１０ 炭化珪素基板
１０Ａ 第１主面（主面、表面）
１１ 炭化珪素単結晶基板
１１Ａ 第３主面（主面）
１１Ｂ 第２主面
１２ ドリフト領域
１２ａ 第１ドリフト領域部（第１のｎ型炭化珪素層）
１２ｂ 第２ドリフト領域部（第２のｎ型炭化珪素層）
１３ ボディ領域
１３ａ 第１ボディ領域部（第１のｐ型炭化珪素層）
１３ｂ 第２ボディ領域部
１４ 第１不純物領域（ソース領域）
１５ ゲート絶縁膜
１６ ソース電極
１７ 炭化珪素層
１８ コンタクト領域
１９ ソースパッド電極
２０ 溝部
２１ 第１の溝部
２２ 第２の溝部
２７ ゲート電極
３０ ピット部
３１，３２，３３ マスク層
４０ 貫通転位
４１ エピタキシャル成長装置
４３ 誘導加熱コイル
４４ 石英管
４５ 断熱材
４６ 発熱体
４６Ａ 曲面部
４６Ｂ 平坦部
Ｄ 一方向（ステップフロー成長方向）
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 深さ
Ｔ 厚み
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ 幅
１Ａ チャネル
２ 第２不純物領域（第３のｎ型炭化珪素層）
２ａ 表面
３ ドレイン電極
４ 層間絶縁膜
１０ 炭化珪素基板
１０Ａ 第１主面（主面、表面）
１１ 炭化珪素単結晶基板
１１Ａ 第３主面（主面）
１１Ｂ 第２主面
１２ ドリフト領域
１２ａ 第１ドリフト領域部（第１のｎ型炭化珪素層）
１２ｂ 第２ドリフト領域部（第２のｎ型炭化珪素層）
１３ ボディ領域
１３ａ 第１ボディ領域部（第１のｐ型炭化珪素層）
１３ｂ 第２ボディ領域部
１４ 第１不純物領域（ソース領域）
１５ ゲート絶縁膜
１６ ソース電極
１７ 炭化珪素層
１８ コンタクト領域
１９ ソースパッド電極
２０ 溝部
２１ 第１の溝部
２２ 第２の溝部
２７ ゲート電極
３０ ピット部
３１，３２，３３ マスク層
４０ 貫通転位
４１ エピタキシャル成長装置
４３ 誘導加熱コイル
４４ 石英管
４５ 断熱材
４６ 発熱体
４６Ａ 曲面部
４６Ｂ 平坦部
Ｄ 一方向（ステップフロー成長方向）
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 深さ
Ｔ 厚み
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ 幅
Claims (6)
- 主面を有する炭化珪素基板と、
前記主面上に設けられたゲート絶縁膜とを備え、
前記炭化珪素基板は、第１不純物領域と、前記第１不純物領域と同じ導電型を有しかつ前記第１不純物領域から物理的に離間されたドリフト領域と、前記ゲート絶縁膜に対面し、かつ前記第１不純物領域と前記ドリフト領域との間を電気的に導通可能に構成された第２不純物領域とを含み、
前記第２不純物領域は、前記第１不純物領域よりも低い格子欠陥密度を有し、
前記主面には、前記主面に沿って一方向に延びるとともに、前記一方向における幅が前記一方向に垂直な方向における幅の２倍以上であり、かつ、前記主面からの最大深さが１０ｎｍ以下である溝部が形成されており、
前記溝部は、第１の溝部と、前記第１の溝部に接続された第２の溝部とを含み、
前記第１の溝部は、前記一方向において前記溝部の一方の端部に形成され、
前記第２の溝部は、前記第１の溝部から前記一方向に沿って延びて前記一方の端部と反対側の他方の端部に至り、かつ、前記主面からの深さが前記第１の溝部の最大深さよりも小さい、炭化珪素半導体装置。 - 前記主面における前記溝部の面密度は、１０／ｍｍ2以上である、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第２不純物領域の導電型はｎ型およびｐ型のいずれかであり、
前記導電型がｎ型の場合、前記第２不純物領域は窒素原子を含み、
前記導電型がｐ型の場合、前記第２不純物領域はアルミニウム原子を含む、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記主面に対して垂直な方向における前記第２不純物領域の厚みは、０．１μｍ以上３μｍ以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第２不純物領域の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記ドリフト領域の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3未満である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
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