JP2008071896A - 金属−絶縁膜−炭化珪素半導体構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、特性の優れた半導体素子を製造するための金属-絶縁膜-半導体構造を提供する。
【解決手段】炭化珪素単結晶基板の表面に溝部を有するエピタキシャル薄膜を形成し、該溝部の内側面に絶縁膜、及び金属膜を順次形成してなる金属-絶縁膜-半導体構造である。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属-絶縁膜-半導体構造及びその製造方法に係わり、特に、高性能の電子デバイスを製造する際に用いられる金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造に関するものである。

炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波・高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとしてSiC単結晶ウェハの需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それ故、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にもかかわらず、その実用化が阻まれていた。

従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。一方、化学気相成長法(CVD法)を用いて珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約20%あることにより、積層欠陥等の結晶欠陥が入り易く、高品質のSiC単結晶を得ることは難しい。

これらの問題点を解決するために、SiC単結晶を種結晶として用いて昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案され(非特許文献1)、多くの研究機関で実施されている。この方法では、種結晶を用いているため結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を100Pa〜15kPa程度に制御することにより結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。

現在、上記の改良レーリー法で作製したSiC単結晶から口径2インチ(50.8mm)から3インチ(76.2mm)のSiC単結晶基板が切り出され、エピタキシャル成長、デバイス作製に供されている。例えば、SiC単結晶基板をパワーデバイス等の電子デバイスに適用しようとする場合には、通常、上記SiC単結晶基板上に、同じポリタイプを有するSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させたSiC単結晶エピタキシャルウェハが用いられている。これは、パワーデバイス作製のためには、不純物濃度の高い(抵抗率の小さな)SiC単結晶層(基板)と不純物濃度の低い(抵抗率の高い)SiC単結晶層(エピタキシャル層)の2層構造にする必要があるためである。エピタキシャル層の作製には、通常、｛0001｝面から4°〜8°程度オフセットした結晶成長面を有するSiC単結晶基板が用いられ、CVD法等により、高純度なエピタキシャル薄膜が得られている。

現在、上記のSiC単結晶エピタキシャルウェハを用いて、SiCパワーデバイスの試作が精力的に進められているが、現状市販されているSiC単結晶エピタキシャルウェハには、結晶c軸方向にウェハを貫通する貫通転位欠陥や｛0001｝面内に存在する基底面転位欠陥が10³〜10⁵cm^-2程度存在しており、高性能のパワーデバイス製造を妨げている。

例えば、金属-絶縁膜-半導体構造(以下、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構造と略す)を利用したMIS型SiC半導体素子では、MIS構造を作製するSiC単結晶エピタキシャルウェハに転位欠陥が多く含まれることから、絶縁膜-半導体界面(以下、IS界面と略す)に多量の転位欠陥が到達し、その結果、SiC半導体素子の信頼性が大きく損なわれていた。

SiC単結晶エピタキシャルウェハ中のこれら転位欠陥(結晶c軸方向に貫通する貫通転位や基底面転位)は、その殆どがSiC単結晶基板中に存在していたものが、エピタキシャル成長の際にエピタキシャル薄膜に引き継がれたものである。

SiC単結晶基板中に存在する、c軸方向にほぼ平行に伝播する貫通転位は、｛0001｝面に垂直な面を種結晶として用いて、<0001>c軸方向と垂直方向にSiC単結晶を成長させることにより、完全に防止できることが、非特許文献2に開示されている。

また、特許文献1には、N回(Nは、N≧3の自然数)の成長工程を有し、n=1である第1成長工程においては、｛1-100｝面からオフセット角±20°以下の面、又は、｛11-20｝面からオフセット角±20°以下の面を第1成長面とした第1種結晶を用いて、上記第1成長面に直交する方向にSiC単結晶を成長させ第1成長結晶を作製し、n=2、3、…、(N-1)回目(N≧3の自然数)である中間成長工程においては、第(n-1)成長面より45〜90°傾き、且つ、｛0001｝面より60〜90°傾いた面を第n成長面とした第n種結晶を第(n-1)成長結晶より作製し、この第n種結晶の第n成長面に直交する方向に第n成長結晶を作製し、n=Nである最終成長工程においては、第(N-1)成長結晶の｛0001｝面よりオフセット角度±20°以下の面を最終成長面とした最終種結晶を第(N-1)成長結晶より作製し、この最終種結晶の最終成長面に直交する方向にバルク状のSiC単結晶を作製することにより、貫通転位及び基底面転位が非常に少ない高品質なSiC単結晶基板の製造方法が記載されている。
特開2003-119097号公報 Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, Vol.52 (1981) pp.146-150 J. Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, Vol.167 (1996) pp.596-606

先に述べた非特許文献2及び特許文献1に記載されている方法では、単結晶の成長方向がc軸方向(｛0001｝面の垂直方向)から大きく傾いた方向(傾角:60°以上)となっているために、大口径の｛0001｝面ウェハを得ようとした場合には、ほぼその口径に相当する長さまで結晶を成長することが必要となる。そのため、結晶成長に要する時間が長時間化し、結晶製造の生産性が低下する。さらに、SiC単結晶成長においては、原料や坩堝の経時変化等により、最適成長条件を長時間に亘って維持するのは一般に難しい。その結果、長尺結晶の高品質化は困難なものとなる。したがって、非特許文献2及び特許文献1に記載されている方法では、結晶成長の長時間化に伴って、結晶成長の歩留まりが低下し、SiC単結晶基板及びそれを用いた作製されたSiC MIS構造の製造コストが著しく増加してしまっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、IS界面に到達する転位欠陥の少ない良質のSiC MIS構造、及びそのような高品質なSiC MIS構造を再現性良く低コストで製造し得る製造方法を提供するものである。

本発明は、
(1) 炭化珪素(SiC)単結晶基板の表面に溝部を有するエピタキシャル薄膜を形成し、該溝部の内側面に絶縁膜、及び金属膜を順次形成してなる金属-絶縁膜-炭化珪素半導体(SiC MIS)構造、
(2) 前記溝部の内側面が｛0001｝面から60°以上120°以下の傾角を持った面である(1)に記載のSiC MIS構造、
(3) 前記溝部の幅が0.1μm以上500μm以下である(1)又は(2)に記載のSiC MIS構造、
(4) 前記溝部の深さを溝部の幅で除した溝部のアスペクト比が0.01以上10以下である(1)〜(3)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(5) 前記エピタキシャル薄膜の溝部以外の厚さが0.1μm以上1000μm以下である(1)〜(4)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(6) 前記エピタキシャル薄膜がSiC薄膜である(1)〜(5)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(7) 前記SiC単結晶基板のオフセット方向が[11-20]方向である(1)に記載のSiC MIS構造、
(8) 前記SiC単結晶基板のオフセット方向が[1-100]方向である(1)に記載のSiC MIS構造、
(9) 前記SiC単結晶基板のオフセット角度が1°以上12°以下である(1)〜(8)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(10) 前記溝部の形成方向と前記SiC単結晶基板のオフセット方向と間のなす角度が-15°以上15°以下である(7)〜(9)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(11) 前記溝部の内側面に、SiCエピタキシャル成長を施した後、絶縁膜、及び金属膜を順次形成してなる(1)〜(10)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(12) 前記溝部の内側面にエピタキシャル成長した薄膜の厚さが0.1μm以上1000μm以下である(11)に記載のSiC MIS構造、
(13) 前記溝部の内側面に交差する転位の面密度が、100cm^-2以下である(1)〜(12)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(14) 前記溝部の内側面に交差する転位の面密度が、10cm^-2以下である(1)〜(12)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(15) 前記絶縁膜の平均寿命が1×10⁶時間以上(絶縁膜中の電界強度:3MV/cm時)である(1)〜(12)の何れかに記載のSiC MIS構造、
(16) 前記絶縁膜の平均寿命が1×10⁸時間以上(絶縁膜中の電界強度:3MV/cm時)である(1)〜(12)の何れかに記載のSiC MIS構造、
である。

本発明によれば、IS界面に到達する転位の密度が極めて低いSiC MIS構造を形成することが可能である。このような高品質のSiC MIS構造を用いれば、電気的特性の優れた高周波・高耐圧電子デバイス等を製作することができる。

本発明のSiC MIS構造は、SiC単結晶基板の表面に、溝部を有するエピタキシャル薄膜を形成し、その溝部の内側面に絶縁膜、及び金属膜を順次形成することにより、IS界面に到達する貫通転位、及び基底面転位がそれぞれ低減された高品質なSiC MIS構造を得ることができる。

まず、｛0001｝面からオフセット角度を有したSiC単結晶基板上にエピタキシャル成長を行った場合に、基板中に存在する貫通転位及び基底面転位がどのようにエピタキシャル薄膜中に引き継がれるかについて述べる。結晶c軸方向に貫通している貫通転位は、エピタキシャル成長の際に、ほぼそのままc軸方向に貫通する貫通転位としてエピタキシャル薄膜中に引き継がれる。一方、基板中に存在する基底面転位は、その約10%がそのまま基底面転位としてエピタキシャル薄膜に引き継がれるが、残りの約90%はエピタキシャル成長の際に、結晶c軸方向に伸びる貫通転位にその形態を変える。また、基板からエピタキシャル層にそのまま引き継がれた基底面転位は、エピタキシャル層内で特徴的な配置を取ることが知られている。これらの基底面転位は、エピタキシャル成長の際にステップフロー成長方向に配列し(ステップフロー成長はオフセット方向に平行に起こる)、結果としてその転位線方向がエピタキシャル成長層内でオフセット方向に平行となる。

図1を用いて、本発明の効果を説明する。本発明のSiC MIS構造は、例えば、図1に模式的に示された矩形の溝部を表面に有したSiC単結晶エピタキシャルウェハの溝部の内側面に作製されていることを特徴とする。但し、溝部の形態は、以下に述べる効果を発現するものであれば、図1に示された矩形に限定されるものではなく、例えば、図2に示されたような形状の溝でも同様な効果が期待できる。

図1に示した矩形の溝部の内側面に、絶縁膜を形成しMIS構造を作製した場合、SiCエピタキシャル薄膜中に存在する貫通転位は、IS界面に到達し難くなる。これは、貫通転位の殆どが結晶c軸方向に伝播しているため、結晶c軸と平行な面上に形成されているIS界面に到達するものは極めて少ないためである。

一方、基底面転位については、先に述べたように、エピタキシャル薄膜中には、基板から伝播した基底面転位(基板結晶中に存在していたものの約10%)が、下地であるSiC単結晶基板のオフセット方向とほぼ平行に配列して存在している。従って、溝部の形成方向が基板のオフセット方向に対してある程度大きな角度を有している場合には、溝部の内側面と基底面転位が交差し、結果として基底面転位がIS界面に到達することになるが、溝部の形成方向を基板のオフセット方向と平行とした場合には、溝部の内側面と基底面転位の伸展方向が平行となるため、溝部の内側面に作製したIS界面に基底面転位が到達することはない。

以上述べたように、SiC単結晶基板の表面に、溝部を有するエピタキシャル薄膜を形成し、その溝部内側面に作製したSiC MIS構造においては、溝部の形成方向をSiC単結晶基板のオフセット方向と平行とすることによって、貫通転位のみならず、基底面転位もIS界面に到達しないようにすることができ、結果として、SiC MIS構造の品質を著しく改善できる。

上記の効果は、溝部の内側面にさらにエピタキシャル成長を施した場合に、より顕著になる。これは、溝部の内側面がエピタキシャル薄膜で覆われることによって、IS界面が転位欠陥の存在位置からさらに遠ざかり、その影響を受け難くなるためである。また、この溝部内側面へのエピタキシャル成長は、溝部の形成時に溝部の内側面に導入された加工誘起欠陥等を低減する効果も有している。

溝部の内側面の｛0001｝面からの傾角としては、60°以上120°以下、より好ましくは75°以上105°以下が望ましい。該傾角が60°未満又は120°超となった場合には、溝部内側面に貫通転位が交差するようになり好ましくない。

溝部の形成方向とSiC単結晶基板のオフセット方向と間のなす角度は、-15°以上15°以下、より好ましくは-5°以上5°以下が望ましい。溝部の形成方向と基板のオフセット方向と間のなす角度が-15°未満あるいは15°超になると、オフセット方向に整列した基底面転位の一部が、溝部の内側面と交差するようになり、結果としてIS界面に到達する基底面転位密度が高くなってしまい好ましくない。

SiC単結晶基板上のエピタキシャル薄膜の溝部以外の厚さとしては、0.1μm以上1000μm以下、より好ましくは1μm以上100μm以下が望ましい。エピタキシャル薄膜の厚さが0.1μm未満になると、エピタキシャル成長が基板全面で均一に起こらなくなり、本発明の効果が得難くなる。また、エピタキシャル薄膜の厚さが1000μmを超えると、オフセット方向への均一なステップフロー成長が基板全面に亘って起こらなくなり、やはり好ましくない。

溝部の内側面に成長させるエピタキシャル薄膜の厚さとしても0.1μm以上1000μm以下、より好ましくは1μm以上100μm以下が望ましい。理由は、上記と同様、エピタキシャル薄膜の厚さが0.1μm未満になると、エピタキシャル成長の均一性が劣化し、また1000μmを超えると、エピタキシャル薄膜の表面に荒れが生じ易くなり、やはり好ましくない。

溝部の幅としては、0.1μm以上500μm以下、より好ましくは1μm以上50μm以下、溝部のアスペクト比(溝の深さ÷溝の幅)としては、0.01以上10以下、より好ましくは0.1以上3以下が望ましい。

溝部の幅が0.1μm未満になった場合には、溝内にMIS構造を作り付けるのが困難となる。また、500μm超の場合には、｛0001｝面単位面積当たりのMIS構造のトータル長さが短くなり、パワー素子等に応用した場合に、充分な電流駆動能力を得ることが難しくなる。

溝部のアスペクト比が0.01未満になると、やはり｛0001｝面単位面積当たりのMIS構造のトータル長さを大きくすることが難しくなる。また、アスペクト比が10を超えると、溝内にMIS構造を作り付けるのが困難となり、好ましくない。

溝部の深さは、溝部の幅とアスペクト比によって決定されるものであるが、溝部が深くなり、エピタキシャル層を突き抜けて基板に到達した場合でも、本発明の効果は依然として期待できる。

SiC単結晶基板のオフセット方向としては、[11-20]あるいは[1-100]方向が望ましい。[11-20]方向あるいは[1-100]は、良質なエピタキシャル成長が行えるオフセット方向として知られているためである。また、オフセット方向への傾角としては1°以上12°以下、より好ましくは3°以上9°以下が望ましい。該傾角が1°未満の場合には、良質なエピタキシャル成長を行うことが困難になる。一方、該傾角が12°超となった場合には、ステップバンチングなどにより、やはりエピタキシャル膜の品質が劣化し好ましくない。

SiC単結晶基板の結晶成長面へのエピタキシャル薄膜の形成方法としては幾つかの方法が考えられる。まず最も一般的なものは、CVD法によるエピタキシャル成長である。CVD法では、原料をガスで供給し、この原料ガスを熱、プラズマ等により分解することにより薄膜を形成する。同じ気相からの成長では、昇華エピタキシー法も適用可能である。この方法では、基板の結晶成長面近傍に置かれた固体原料(単結晶、多結晶、焼結体等)からの昇華ガスを原料として薄膜を成長させる。一方、液相からのエピタキシャル成長も広く行なわれている。原料を含有する液体に基板を浸漬し、原料を徐々に固化させることによりエピタキシャル成長を行う。この他、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、メッキ法等も適用可能と考えられ、原理的に本発明に記載されている転位の変換効果あるいは配向効果を呈するものであれば、どのような方法でも本発明に適用可能である。

エピタキシャル薄膜に溝部を作り付ける方法については、幾つかの方法がある。最も一般的に行われているのは、半導体プロセス等で用いられているリソグラフィー工程である。エピタキシャル薄膜の表面に、樹脂レジストをパターニングし、その後、エッチング(例えば、反応性プラズマによるドライエッチング)により、レジストの開口部に溝部を形成する。レジストは、どのような形状にもパターニングできるので、任意の溝部の配置が可能である。溝部の形状は、エッチング条件を選択することにより制御可能である。また、レーザー加工や電気化学エッチング、さらに基板上へのSiC単結晶膜の選択エピタキシャル成長等によっても溝部は形成可能である。

本発明に用いられる絶縁膜としては、半導体MIS構造に一般的に用いられているものであれば、基本的には適用可能である。例えば、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸窒化珪素膜等に加え、他の金属酸化膜、窒化膜、あるいはその積層膜が適用可能である。絶縁膜の形成方法としては、熱酸化が一般的ではあるが、CVD法等による絶縁膜の堆積によっても形成可能である。また、これら絶縁膜の信頼性は、通常、経時絶縁破壊(TDDB: Time Dependent Dielectric Breakdown)試験によって見積ることができる。絶縁膜の累積不良率の電界依存性を測定することによって、各電界強度における絶縁膜の平均寿命を見積ることができる。

本発明のMIS構造は、MIS構造を作製する溝部の内側面に交差する転位の面密度が、100cm^-2以下と低く、そのため絶縁膜の平均寿命が1×10⁶時間以上(電界強度:3MV/cm時)と長いため、特に大電流、高出力のデバイス製造に適している。本発明のより好ましい形態では、MIS構造を作製する溝部の内側面に交差する転位の面密度が、10cm^-2以下と低く、そのため絶縁膜の平均寿命が1×10⁸時間以上(電界強度:3MV/cm時)とさらに長いため、より大電流、高出力のデバイス製造に適している。

(実施例1)
以下に、本発明の実施例を述べる。まず、改良レーリー法により予め製造しておいた4H型のSiC単結晶インゴットから、口径50.8mm、厚さ0.4mmの｛0001｝面SiC単結晶基板(基板のオフセット方向:[11-20]方向、オフセット角度:8°)を3枚用意した。1枚は、本発明のMIS構造製造用で、残りの2枚は基板及びMIS界面の転位密度計測用である。

用意したSiC単結晶基板を研磨した後、基板の貫通転位密度及び基底面転位密度を計測する目的で、まず上記SiC単結晶基板の内の1枚を約520℃の溶融KOHによりエッチングした。エッチングしたSiC単結晶基板の表面に現れたエッチピット(転位が表面と交差している箇所が選択的にエッチングされてピットが発生する)を観察・測定し、基板の貫通転位、及び基底面転位に起因したエッチピット密度として、それぞれ1. 1×10⁴cm^-2、1.8×10³cm^-2という値を得た。その後、残りの2枚のSiC単結晶基板(転位密度はほぼ同等と考えられる)上に、SiC単結晶薄膜のエピタキシャル成長をCVD法により行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン(SiH₄)、プロパン(C₃H₈)、水素(H₂)の流量が、それぞれ5.0×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は6時間で、膜厚としては約15μm成長した。

こうして得られたSiC単結晶エピタキシャルウェハ2枚をラマン散乱により分析したところ、ウェハ全面で4H型のSiC単結晶層が成長できていることを確認できた。また、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、ウェハ全面に亘って、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。

エピタキシャル成長後、上記基板のエピタキシャル成長面にレジストを塗布し、その後リソグラフィー工程によりパターニングした後、反応性イオンエッチングにより、矩形の溝（溝部）を、幅20μm、アスペクト比(溝の深さ÷溝の幅)0.2、ピッチ(溝と溝の間隔)100μmで等間隔に作り付けた。基板表面における溝部の配置は縞状とし、溝部の形成方向は、基板のオフセット方向([11-20]方向)と平行とした。

次に、上記で溝部を形成したSiC単結晶エピタキシャルウェハの溝部の内側面に交差する貫通転位及び基底面転位密度を計測する目的で、2枚のうちの1枚のエピタキシャルウェハを溶融KOHによりエッチングした。エピタキシャル薄膜の(0001)面上に現れたエッチピット数及び形状から、溝部の内側面に交差する貫通転位及び基底面転位密度を推定したところ、それぞれ10cm^-2、15cm^-2という値を得た。

さらに、MIS構造の絶縁膜の信頼性を評価する目的で、上記で溝部を形成したSiC単結晶エピタキシャルウェハの残りの1枚を、酸化炉に入れ、酸素ガスにより1200℃でドライ熱酸化を実施した。得られた酸化膜の厚さは約600nmであった。さらに同じ1200℃で、亜酸化窒素(N₂O)ガス雰囲気中アニールを約30分間行った。その後、溝部の内側面の酸化膜上に金属膜を蒸着、パターニングし、MIS構造を形成した後、TDDB試験を実施した。その結果から、電界強度3MV/cmにおける絶縁膜(酸化膜)の平均寿命を推定したところ、3×10⁷時間という値を得た。

最後に、このようにして作製したSiC MIS構造を用いて、SiC MOSFETを作製し、その静特性、動特性評価を行ったところ、試作した全ての素子において、良好なスィッチング特性が実現できているのが分かった。

(実施例2)
実施例1と同様に、改良レーリー法により予め製造しておいた4H型のSiC単結晶インゴットから、口径50.8mm、厚さ0.4mmの｛0001｝面SiC単結晶基板(基板のオフセット方向:[11-20]方向、オフセット角度:8°)を3枚用意した。用意したSiC単結晶基板を研磨した後、基板の貫通転位密度及び基底面転位密度を計測する目的で、上記SiC単結晶基板のうちの1枚を約520℃の溶融KOHによりエッチングした。エッチングしたSiC単結晶基板の表面に現れたエッチピットを観察・測定し、貫通転位、及び基底面転位に起因したエッチピット密度として、それぞれ1.4 ×10⁴cm^-2、1.9×10³cm^-2という値を得た。その後、残りの2枚のSiC単結晶基板上に、SiC単結晶薄膜のエピタキシャル成長をCVD法により行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン、プロパン、水素の流量が、それぞれ5.0×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は6時間で、膜厚としては約15μm成長した。

こうして得られたSiC単結晶エピタキシャルウェハ2枚をラマン散乱により分析したところ、ウェハ全面で4H型のSiC単結晶層が成長できていることを確認できた。また、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、ウェハ全面に亘って、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。

エピタキシャル成長後、上記基板のエピタキシャル成長面にレジストを塗布し、その後リソグラフィー工程によりパターニングした後、反応性イオンエッチングにより、矩形の溝（溝部）を、幅20μm、アスペクト比(溝の深さ÷溝の幅)0.2、ピッチ(溝と溝の間隔)100μmで等間隔に作り付けた。基板表面における溝部の配置は縞状とし、溝部の形成方向は、基板のオフセット方向([11-20]方向)と平行とした。このようにして溝部を形成したSiC単結晶エピタキシャルウェハ2枚を再度エピタキシャル成長炉内に入れ、2回目のエピタキシャル成長を行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン、プロパン、水素の流量が、それぞれ1×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は約40分間であった。成長後のエピタキシャルウェハを観察したところ、エピタキシャル成長は溝部の内側面でのみで起こっており、その厚さは0.5μm程度であった。これは、｛0001｝面に比べ、｛0001｝面に垂直な面の方が結晶成長に寄与する原子の付着確率が高く、選択的にエピタキシャル成長が起こったためと理解される。

次に、溝部を備えたSiC単結晶エピタキシャルウェハの溝部の内側面に交差する貫通転位及び基底面転位密度を計測する目的で、2枚の内の1枚のエピタキシャルウェハを溶融KOHによりエッチングした。エピタキシャル薄膜の(0001)面上に現れたエッチピット数及び形状から、溝内側面に交差する貫通転位及び基底面転位密度を推定したところ、両者共に5cm^-2以下という値を得た。

さらに、MIS構造の絶縁膜の信頼性を評価する目的で、2回のエピタキシャル成長を行った溝部を備えたSiC単結晶エピタキシャルウェハの残りの1枚を、酸化炉に入れ、酸素ガスにより1200℃でドライ熱酸化を実施した。得られた酸化膜の厚さは約600nmであった。さらに、同じ1200℃で、亜酸化窒素ガス雰囲気中アニールを約30分間行った。その後、溝部の内側面の酸化膜上に金属膜を蒸着、パターニングし、MIS構造を形成した後、TDDB試験を実施した。その結果から、電界強度3MV/cmにおける絶縁膜(酸化膜)の平均寿命を推定したところ、6×10⁸時間という値を得た。

最後に、このようにして作製したSiC MIS構造を用いて、SiC MOSFETを作製し、その静特性、動特性評価を行ったところ、試作した全ての素子において、良好なスィッチング特性が実現できているのが分かった。

(比較例)
本比較例では、溝部を有しないエピタキシャル薄膜の表面(｛0001｝オフセット面)上にSiC MIS構造を作製した場合の転位密度評価、TDDB試験結果について示す。まず、実施例1と同様に、改良レーリー法により予め製造しておいた4H型のSiC単結晶インゴットから、口径50.8mm、厚さ0.4mmの｛0001｝面SiC単結晶基板(基板のオフセット方向:[11-20]方向、オフセット角度:8°)を3枚用意した。用意したSiC単結晶基板を研磨した後、基板の貫通転位密度及び基底面転位密度を計測する目的で、上記SiC単結晶基板のうちの1枚を約520℃の溶融KOHによりエッチングした。エッチングしたSiC単結晶基板の表面に現れたエッチピットを観察・測定し、貫通転位、及び基底面転位に起因したエッチピット密度として、それぞれ1.2 ×10⁴cm^-2、1.9×10³cm^-2という値を得た。その後、残りの2枚のSiC単結晶基板上に、SiC単結晶薄膜のエピタキシャル成長をCVD法により行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン、プロパン、水素の流量が、それぞれ5.0×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は6時間で、膜厚としては約15μm成長した。

こうして得られたSiC単結晶エピタキシャルウェハ2枚をラマン散乱により分析したところ、ウェハ全面で4H型のSiC単結晶層が成長できていることを確認できた。また、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、ウェハ全面に亘って、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。

次に、上記エピタキシャルウェハの表面に交差する貫通転位及び基底面転位密度を計測する目的で、2枚の内の1枚のエピタキシャルウェハを溶融KOHによりエッチングした。エピタキシャル薄膜の(0001)オフセット面上に現れたエッチピットの観察結果から、エピタキシャルウェハ表面に交差する貫通転位及び基底面転位密度は、それぞれ1.4×10⁴cm^-2、1.7×10²cm^-2と推定された。

さらに、MIS構造の絶縁膜の信頼性を評価する目的で、上記エピタキシャルウェハの残りの1枚を、酸化炉に入れ、酸素ガスにより1200℃でドライ熱酸化を実施した。得られたエピタキシャル薄膜(0001)オフセット面上の酸化膜の厚さは約400nmであった。さらに、同じ1200℃で、亜酸化窒素ガス雰囲気中アニールを約30分間行った。その後、酸化膜上に金属膜を蒸着、パターニングし、MIS構造を形成した後、TDDB試験を実施した。その結果から、電界強度3MV/cmにおける絶縁膜(酸化膜)の平均寿命を推定したところ、8×10⁵時間という値を得た。

最後に、このようにして作製したSiC MIS構造を用いて、SiC MOSFETを作製し、その静特性、動特性評価を行ったところ、試作した一部の素子において、ゲートリーク電流が大きくなっていることが判明した。

本発明の効果を説明する図である。 本発明で用いられる溝の形状例を示す図である。

Claims (16)

1. 炭化珪素単結晶基板の表面に溝部を有するエピタキシャル薄膜を形成し、該溝部の内側面に絶縁膜、及び金属膜を順次形成してなる金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
2. 前記溝部の内側面が｛0001｝面から60°以上120°以下の傾角を持った面である請求項1に記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
3. 前記溝部の幅が0.1μm以上500μm以下である請求項1又は2に記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
4. 前記溝部の深さを溝部の幅で除した溝部のアスペクト比が0.01以上10以下である請求項1〜3の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
5. 前記エピタキシャル薄膜の溝部以外の厚さが0.1μm以上1000μm以下である請求項1〜4の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
6. 前記エピタキシャル薄膜が炭化珪素薄膜である請求項1〜5の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
7. 前記炭化珪素単結晶基板のオフセット方向が[11-20]方向である請求項1に記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
8. 前記炭化珪素単結晶基板のオフセット方向が[1-100]方向である請求項1に記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
9. 前記炭化珪素単結晶基板のオフセット角度が1°以上12°以下である請求項1〜8の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
10. 前記溝部の形成方向と前記炭化珪素単結晶基板のオフセット方向と間のなす角度が-15°以上15°以下である請求項7〜9の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
11. 前記溝部の内側面に、炭化珪素エピタキシャル成長を施した後、絶縁膜、及び金属膜を順次形成してなる請求項1〜10の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
12. 前記溝部の内側面にエピタキシャル成長した薄膜の厚さが0.1μm以上1000μm以下である請求項11に記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
13. 前記溝部の内側面に交差する転位の面密度が、100cm^-2以下である請求項1〜12の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
14. 前記溝部の内側面に交差する転位の面密度が、10cm^-2以下である請求項1〜12の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
15. 前記絶縁膜の平均寿命が1×10⁶時間以上(絶縁膜中の電界強度:3MV/cm時)である請求項1〜12の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。
16. 前記絶縁膜の平均寿命が1×10⁸時間以上(絶縁膜中の電界強度：3MV/cm時)である請求項1〜12の何れかに記載の金属-絶縁膜-炭化珪素半導体構造。

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