JP2014013850A - 炭化珪素基板および半導体装置の製造方法、ならびに炭化珪素基板および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成可能な炭化珪素基板の製造方法および当該炭化珪素基板の製造方法が実施される半導体装置の製造方法、ならびにより高性能な半導体装置を製造することが可能な炭化珪素基板および当該炭化珪素基板を備える半導体装置を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板１０の製造方法は、炭化珪素からなるベース基板２０を準備する工程と、準備されたベース基板２０をサセプタ上に接触させて配置する工程と、サセプタ上に配置されたベース基板２０を加熱しつつ、ベース基板２０のカーボン面側の主表面２０Ａ上にアルミニウムがドープされたボディ層３２を形成する工程とを備えている。ボディ層３２を形成する工程では、アルゴンを含むキャリアガスが導入された雰囲気ガス中においてベース基板２０が加熱される。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化珪素基板および半導体装置の製造方法、ならびに炭化珪素基板および半導体装置に関するものであり、より特定的には、表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成可能な炭化珪素基板の製造方法および当該炭化珪素基板の製造方法が実施される半導体装置の製造方法、ならびにより高性能な半導体装置を製造することが可能な炭化珪素基板および当該炭化珪素基板を備える半導体装置に関するものである。

近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められている。炭化珪素は、従来より半導体装置を構成する材料として広く用いられている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。

炭化珪素を構成材料として採用する半導体装置の製造プロセスでは、炭化珪素基板の主表面上におけるエピタキシャル成長や、エピタキシャル成長膜へのイオン注入などにより不純物がドープされた活性領域が形成される。炭化珪素基板の主表面上におけるエピタキシャル成長膜の形成については、種々の方法が提案されている（たとえば、非特許文献１〜３参照）。

Ｋａｚｕｔｏｓｈｉ Ｋｏｊｉｍａ ｅｔ ａｌ、「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｑｕａｌｉｔｙ ４Ｈ−ＳｉＣ Ｃａｒｂｏｎ−Ｆａｃｅ ｂｙ Ｌｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｈｏｔ−Ｗａｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｔｈｅ Ｊａｐａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００３年５月１０日、Ｖｏｌ．４２、ｐ．６３７−６３９ Ｔｓｕｎｅｎｏｂｕ Ｋｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ、「Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｎ，Ａｌ，ａｎｄＢ Ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＣ」、Ａｍｅｃｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、１９９５年６月８日、Ｖｏｌ．６７、ｐ．２３８５−２３８７ Ｕ Ｆｏｒｓｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ、「Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｄｏｐｉｎｇ ｏｆ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、ＥＬＳＥＶＩＥＲ、２００２年８月２２日、Ｖｏｌ．２５３、ｐ．３４０−３５０

炭化珪素基板のカーボン面上においてアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を高温で成長させる場合、アルミニウム原子と炭素原子との結合が弱いため、膜中に取り込まれたアルミニウム原子は気相中に再蒸発する。そのため、アルミニウムが高濃度にドープされたエピタキシャル成長膜を高温で成長させることは困難であるという問題がある。また、エピタキシャル成長における成長温度を低くするとアルミニウム原子の再蒸発を抑制することができる一方、エピタキシャル成長膜の表面に欠陥が発生し易くなり、良好な表面モフォロジを得ることが困難になる。このように、炭化珪素基板のカーボン面上のエピタキシャル成長においては、エピタキシャル成長膜の表面粗さの悪化を抑制しつつ、アルミニウムを高濃度に導入することは困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成可能な炭化珪素基板の製造方法および当該炭化珪素基板の製造方法が実施される半導体装置の製造方法、ならびにより高性能な半導体装置を製造することが可能な炭化珪素基板および当該炭化珪素基板を備える半導体装置を提供することである。

本発明の炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素からなるベース基板を準備する工程と、準備されたベース基板をサセプタ上に接触させて配置する工程と、サセプタ上に配置されたベース基板を加熱しつつ、ベース基板のカーボン面側の主表面上にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成する工程とを備えている。エピタキシャル成長膜を形成する工程では、希ガスを含むキャリアガスが導入された雰囲気ガス中においてベース基板が加熱される。

従来のエピタキシャル成長膜の形成においては、水素ガスがキャリアガスとして採用されていたのに対し、本発明の炭化珪素基板の製造方法では、水素ガスに比べてより熱伝導率が低い希ガスを含むキャリアガスが導入された雰囲気ガス中においてベース基板を加熱しつつエピタキシャル成長膜が形成される。そのため、ベース基板から雰囲気ガスへの伝熱が抑制され、高温でベース基板を加熱した場合においても雰囲気ガスの温度上昇を抑制することができる。その結果、ベース基板を高温に保持することによりエピタキシャル成長膜の表面粗さの悪化が抑制され、かつ雰囲気ガスの温度上昇を抑制することによりアルミニウム原子の再蒸発を抑制することができる。したがって、本発明の炭化珪素基板の製造方法によれば、表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムが導入されたエピタキシャル成長膜を形成可能な炭化珪素基板の製造方法を提供することができる。

なお、カーボン面側の主表面とは、六方晶の単結晶炭化結晶のカーボン面として定義される（０００−１）面とのなす角が０°以上９０°未満の面を意味している。また、希ガスを含むキャリアガスとは、意図的に導入された希ガスを含むものを意味し、不可避的な不純物として含むものを意味するものではない。

上記炭化珪素基板の製造方法において、キャリアガスに含まれる希ガスの割合は、５体積％以上３０体積％以下であってもよい。これにより、ベース基板から雰囲気ガスへの伝熱をより効果的に抑制することができる。その結果、アルミニウム原子の再蒸発をより効果的に抑制することができる。

上記炭化珪素基板の製造方法において、希ガスは、アルゴンであってもよい。このように、希ガスには安価なアルゴンを好適に採用することができる。

上記炭化珪素基板の製造方法において、キャリアガスは、水素をさらに含んでいてもよい。これにより、結晶性に優れたエピタキシャル成長膜を形成することができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板を準備する工程と、準備された炭化珪素基板上に電極を形成する工程とを備えている。炭化珪素基板を準備する工程では、上記本発明の炭化珪素基板の製造方法により製造された炭化珪素基板が準備される。

本発明の半導体装置の製造方法では、表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムが導入されたエピタキシャル成長膜を形成可能な炭化珪素基板の製造方法により製造された炭化珪素基板が準備される。これにより、炭化珪素基板の表面粗さの悪化や、エピタキシャル成長膜におけるアルミニウムのドープ濃度の低下に起因する性能の低下が抑制された半導体装置を製造することができる。したがって、本発明の半導体装置の製造方法によれば、より高性能な半導体装置を製造することができる。

本発明の炭化珪素基板は、炭化珪素からなるベース基板と、ベース基板のカーボン面側の主表面上に形成されたエピタキシャル成長膜とを備えている。エピタキシャル成長膜におけるアルミニウム濃度は、７×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１８ｃｍ^−３以下である。エピタキシャル成長膜のベース基板側とは反対側の主表面の表面粗さは、ＲＭＳ値で１μｍ以下である。

本発明の炭化珪素基板は、表面粗さの悪化が抑制され、かつ高濃度にアルミニウムがドープされた炭化珪素基板となっている。これにより、炭化珪素基板の表面粗さの悪化や、エピタキシャル成長膜におけるアルミニウムのドープ濃度の低下に起因する半導体装置の性能の低下を抑制することができる。したがって、本発明の炭化珪素基板によれば、より高性能な半導体装置を製造することができる。

本発明の半導体装置は、炭化珪素基板と、炭化珪素基板上に形成された電極とを備えている。炭化珪素基板は、上記本発明の炭化珪素基板である。

本発明の半導体装置は、上記本発明の炭化珪素基板を備えている。したがって、本発明の半導体装置によれば、炭化珪素基板の表面粗さの悪化や、エピタキシャル成長膜におけるアルミニウムのドープ濃度の低下に起因する性能の低下が抑制された、より高性能な半導体装置を提供することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の炭化珪素基板の製造方法によれば、表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成可能な炭化珪素基板の製造方法を提供することができる。また、本発明の半導体装置の製造方法および炭化珪素基板によれば、より高性能な半導体装置を製造することができる。また、本発明の半導体装置によれば、より高性能な半導体装置を提供することができる。

半導体装置の構成を示す概略図である。 炭化珪素基板の構成を示す概略図である。 半導体装置の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 炭化珪素基板の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 炭化珪素基板の製造方法を説明するための概略図である。 炭化珪素基板の製造方法を説明するための概略図である。 炭化珪素基板の製造方法を説明するための概略図である。 半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 炭化珪素基板の微細構造を示す概略図である。 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１５中線分ＸＶＩ−ＸＶＩに沿う（１１−２０）面の結晶構造を示す図である。 図１４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１４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１４の変形例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の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、その説明は繰り返さない。また、本明細書中においては、個別方位を[]、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示す。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。

まず、本発明の一実施の形態の半導体装置および炭化珪素基板の構造について説明する。図１を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのＭＯＳＦＥＴ１は、炭化珪素基板１０と、酸化膜４０と、ゲート電極４１と、層間絶縁膜４２と、ソース電極５０と、ドレイン電極６０と、ソース配線５１と、裏面保護電極６１とを備えている。炭化珪素基板１０は、本実施の形態の炭化珪素基板である。

図１および図２を参照して、炭化珪素基板１０は、炭化珪素からなるベース基板２０と、ベース基板２０の主表面２０Ａ上に形成されたエピタキシャル成長膜であるドリフト層３１およびボディ層３２とを含んでいる。主表面２０Ａは、カーボン面側の面であり、たとえば（０００−１）面に対して＜１１−２０＞方向に４°のオフ角を有している。ボディ層３２の主表面１０Ａを含む領域には、ソース領域３３とコンタクト領域３４とが形成されている。

ベース基板２０は、たとえば窒素（Ｎ）などの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。ドリフト層３１は、ベース基板２０の主表面２０Ａ上に形成されたエピタキシャル成長膜であり、たとえば窒素（Ｎ）などの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。ドリフト層３１に含まれるｎ型不純物の濃度値は、ベース基板２０に含まれるｎ型不純物の濃度値よりも低い値となっている。

ボディ層３２は、ドリフト層３１から見てベース基板２０とは反対側に形成されたエピタキシャル成長膜である。ボディ層３２は、ｐ型不純物であるアルミニウム（Ａｌ）を含むことにより、導電型がｐ型となっている。ボディ層３２におけるアルミニウム（Ａｌ）濃度は、７×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１８ｃｍ^−３以下となっており、たとえば１×１０^１８ｃｍ^−３となっている。ボディ層３２のベース基板２０側とは反対側の主表面１０Ａの表面粗さは、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）値で０．０５μｍ以上１μｍ以下となっている。

ソース領域３３は、主表面１０Ａを含むようにボディ層３２内に形成されている。ソース領域３３は、たとえばリン（Ｐ）などの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。ソース領域３３に含まれるｎ型不純物の濃度値は、ドリフト層３１に含まれるｎ型不純物の濃度値よりも高くなっている。

コンタクト領域３４は、主表面１０Ａを含み、かつソース領域３３に隣接するようにボディ層３２内に形成されている。コンタクト領域３４は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）や硼素（Ｂ）などのｐ型不純物を含むことにより導電型がｐ型となっている。コンタクト領域３４に含まれるｐ型不純物の濃度値は、ボディ層３２に含まれるアルミニウムの濃度よりも高くなっている。

炭化珪素基板１０には、一方の主表面１０Ａ側に開口するトレンチＴＲが形成されている。トレンチＴＲは、側壁面ＳＷと底面ＢＷとを含み、側壁面ＳＷがソース領域３３、ボディ層３２およびドリフト層３１に亘るようにソース領域３３およびボディ層３２を貫通し、底面ＢＷがドリフト層３１に位置するように形成されている。側壁面ＳＷは、ボディ層３２においてチャネル面ＣＨを含んでいる。側壁面ＳＷは、所定の結晶面（以下、特殊面という）を有する。特殊面の構造については、後に詳述する。

酸化膜４０は、トレンチＴＲの表面（側壁面ＳＷおよび底面ＢＷ）および主表面１０Ａを覆うように形成されている。酸化膜４０は、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなっている。

ゲート電極４１は、トレンチＴＲ内において、側壁面ＳＷおよび底面ＢＷを覆うように形成された酸化膜４０に接触するように形成されている。ゲート電極４１は、たとえば不純物が添加されたポリシリコン、Ａｌなどの導電体からなっている。

ソース電極５０は、ソース領域３３およびコンタクト領域３４に接触するように形成されている。ソース電極５０は、ソース領域３３に対してオーミック接触することができる材料、たとえばＮｉ_ｘＳｉ_ｙ（ニッケルシリサイド）、Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ（チタンシリサイド）、Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ（アルミシリサイド）およびＴｉ_ｘＡｌ_ｙＳｉ_ｚ（チタンアルミシリサイド）などからなっており、ソース領域３３に対して電気的に接続されている。

層間絶縁膜４２は、酸化膜４０と共にゲート電極４１を取囲むように形成されており、ゲート電極４１をソース電極５０およびソース配線５１に対して電気的に絶縁している。層間絶縁膜４２は、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなっている。

ソース配線５１は、層間絶縁膜４２およびソース電極５０を覆うように形成されている。ソース配線５１は、たとえばＡｌなどの導電体からなっており、ソース電極５０を介してソース領域３３と電気的に接続されている。

ドレイン電極６０は、ベース基板２０から見てドリフト層３１とは反対側の主表面２０Ｂ上に形成されている。ドレイン電極６０は、ベース基板２０とオーミック接触することができる材料、たとえばソース電極５０と同様の材料からなっており、ベース基板２０に対して電気的に接続されている。裏面保護電極６１は、ドレイン電極６０を覆うように形成されている。裏面保護電極６１は、たとえばＡｌなどの導電体からなっている。

次に、ＭＯＳＦＥＴ１の動作について説明する。図１を参照して、ゲート電極４１に印加された電圧が閾値電圧未満の状態、すなわちオフ状態では、ソース電極５０とドレイン電極６０との間に電圧が印加されても、ボディ層３２とドリフト層３１との間に形成されるｐｎ接合が逆バイアスとなり、非導通状態となる。一方、ゲート電極４１に閾値電圧以上の電圧が印加されると、ボディ層３２において側壁面ＳＷに接する領域であるチャネル面ＣＨに反転層が形成される。その結果、ソース領域３３とドリフト層３１とが電気的に接続され、ソース電極５０とドレイン電極６０との間に電流が流れる。以上のようにして、ＭＯＳＦＥＴ１は動作する。

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態の半導体装置の製造方法では、上記本実施の形態の半導体装置としてのＭＯＳＦＥＴ１が製造される。図３を参照して、まず、工程（Ｓ１０）として、炭化珪素基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、以下に説明する本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法により製造された上記本実施の形態の炭化珪素基板１０が準備される。

図４を参照して、本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法では、まず、工程（Ｓ１１）として、ベース基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１１）では、図５を参照して、たとえば４Ｈ型の六方晶炭化珪素からなり、主表面２０Ａを有するベース基板２０が準備される。主表面２０Ａは、カーボン面側の面であり、たとえば（０００−１）面に対して＜１１−２０＞方向に４°のオフ角を有している。

次に、工程（Ｓ１２）として、ベース基板配置工程が実施される。この工程（Ｓ１２）では、図６を参照して、上記工程（Ｓ１１）にて準備されたベース基板２０が、炭化珪素により表面が被覆されたカーボン製のサセプタ２のプレート３上に接触して配置される。プレート３は、たとえばタンタルカーバイド（ＴａＣ）からなっている
次に、工程（Ｓ１３）として、エピタキシャル成長膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ１３）では、図７を参照して、ベース基板２０の主表面２０Ａ上においてエピタキシャル成長膜であるドリフト層３１およびボディ層３２が形成される。まず、水素（Ｈ_２）を含むキャリアガスと、モノシラン（ＳｉＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）および窒素（Ｎ_２）などを含む反応ガスとがサセプタ内に導入される。そして、上記キャリアガスおよび反応ガスが導入された雰囲気ガス中において、サセプタ上に配置されたベース基板２０が加熱されつつベース基板２０の主表面２０Ａ上に窒素（Ｎ）がドープされたエピタキシャル成長膜であるドリフト層３１が形成される。

次に、水素（Ｈ_２）および希ガスであるアルゴン（Ａｒ）を含むキャリアガスと、モノシラン（ＳｉＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Ｔｒｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）などを含む反応ガスとがサセプタ内に導入される。そして、１６００℃、５０ｋＰａの条件でベース基板２０が加熱されつつ、ドリフト層３１上にアルミニウム（Ａｌ）がドープされたエピタキシャル成長膜であるボディ層３２が形成される。なお、水素（Ｈ_２）を含むキャリアガスを採用することにより、エピタキシャル成長における結晶表面（テラス）上での二次元核の形成が抑制され、より結晶性に優れたボディ層３２を形成することができる。

この工程（Ｓ１３）において、キャリアガスに含まれる希ガスには、安価なアルゴン（Ａｒ）を好適に採用することができるが、これに限られるものではない。たとえば、キャリアガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）およびラドン（Ｒｎ）のうち少なくとも一の希ガスを含んでいてもよい。また、キャリアガスに含まれる希ガスの割合は特に限られるものではないが、５体積％以上３０体積％以下であることが好ましい。なお、本実施の形態では、５体積％以上３０体積％以下のアルゴン（Ａｒ）を含み、残部が水素（Ｈ_２）からなるキャリアガスが採用される。以上の工程（Ｓ１１）〜（Ｓ１３）が実施されることにより本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法が完了し、炭化珪素基板１０が準備される。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ２０）として、ソース領域形成工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図８を参照して、ボディ層３２内にリン（Ｐ）イオンを注入することにより、ボディ層３２の主表面１０Ａを含む領域にソース領域３３が形成される。

次に、工程（Ｓ３０）として、トレンチ形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図９を参照して、まず、たとえばＰ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、炭化珪素基板１０の主表面１０Ａのうちトレンチを形成すべき領域に開口を有し、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）からなるマスク７０が形成される。次に、たとえば六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスおよび酸素を含む雰囲気中において、誘導接合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などにより、炭化珪素基板１０のエッチングを進行させる。次に、図１０を参照して、たとえば塩素などのハロゲン系ガスおよび酸素を含む雰囲気中において熱エッチングが施される。そして、上記エッチング処理が完了した後にマスク７０が除去される。このようにして、ソース領域３３、ボディ層３２およびドリフト３１層が露出する側壁面ＳＷ、およびドリフト層３１に位置する底面ＢＷを有するトレンチＴＲが炭化珪素基板１０に形成される。

次に、工程（Ｓ４０）として、コンタクト領域形成工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１１を参照して、たとえばアルミニウム（Ａｌ）イオンをソース領域３３内に注入することにより、ソース領域３３に隣接するコンタクト領域３４が形成される。

次に、工程（Ｓ５０）として、ゲート酸化膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図１２を参照して、酸素を含む雰囲気中において炭化珪素基板１０を加熱することにより、トレンチＴＲの表面（側壁面ＳＷおよび底面ＢＷ）、および主表面１０Ａを含む領域にわたり二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる酸化膜４０が形成される。

次に、工程（Ｓ６０）として、ゲート電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図１３を参照して、たとえばＬＰ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）ＣＶＤ法により、トレンチＴＲ内にポリシリコン膜が形成される。これにより、トレンチＴＲの表面を含む領域に形成された酸化膜４０に接触するようにゲート電極４１が形成される。

次に、工程（Ｓ７０）として、層間絶縁膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、図１を参照して、たとえばＰ（Ｐｌａｓｍａ）−ＣＶＤ法により、絶縁体である二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる層間絶縁膜４２が、酸化膜４０と共にゲート電極４１を取囲むように形成される。

次に、工程（Ｓ８０）として、オーミック電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、図１を参照して、まず、ソース電極５０を形成すべき領域において、層間絶縁膜４２および酸化膜４０が除去され、ソース領域３３およびコンタクト領域３４が露出した状態になる。そして、当該領域において、たとえばＮｉからなる膜が形成される。一方、ベース基板２０において、ドリフト層３１が形成される側とは反対側の主表面２０Ｂ上に、たとえばＮｉからなる膜が形成される。その後、合金加熱処理が施され、上記Ｎｉからなる膜の少なくとも一部がシリサイド化されることにより、ソース電極５０およびドレイン電極６０がそれぞれ形成される。

次に、工程（Ｓ９０）として、配線形成工程が実施される。この工程（Ｓ９０）では、図１を参照して、たとえば蒸着法により導電体であるＡｌからなるソース配線５１が、層間絶縁膜４２およびソース電極５０を覆うように形成される。一方、たとえばＡｌからなる裏面保護電極６１が、ドレイン電極６０を覆うように形成される。以上の工程（Ｓ１０）〜（Ｓ９０）を実施することによりＭＯＳＦＥＴ１が製造され、本実施の形態の半導体装置の製造方法が完了する。

以上のように、従来のエピタキシャル成長によるボディ層３２の形成においては水素ガスがキャリアガスとして採用されていたのに対し、本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法では、水素ガスに比べてより熱伝導率が低い希ガスを含むキャリアガスが導入された雰囲気ガス中においてベース基板２０を加熱しつつボディ層３２が形成される。そのため、ベース基板２０から雰囲気ガスへの伝熱が抑制され、高温でベース基板２０を加熱した場合においても雰囲気ガスの温度上昇を抑制することができる。その結果、ベース基板２０を高温に保持することによりボディ層３２の表面粗さの悪化を抑制しつつ、雰囲気ガスの温度上昇を抑制することによりアルミニウム原子の再蒸発を抑制することができる。したがって、本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法によれば、表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムが導入されたボディ層３２を形成することができる。

また、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、工程（Ｓ１０)において、上記本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法により製造された炭化珪素基板１０が準備される。これにより、炭化珪素基板の表面粗さの悪化や、ボディ層におけるアルミニウムのドープ濃度の低下に起因する性能の低下が抑制されたＭＯＳＦＥＴ１を製造することができる。したがって、本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、より高性能なＭＯＳＦＥＴ１を製造することができる。

また、上述のように、本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法では、キャリアガスに含まれるアルゴンガスの割合は、５体積％以上３０体積％以下であることが好ましい。これにより、ベース基板２０から雰囲気ガスへの伝熱をより効果的に抑制することができる。その結果、ボディ層３２中にドープされたアルミニウムの再蒸発をより効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態の炭化珪素基板１０は、表面粗さの悪化が抑制され、かつ高濃度にアルミニウムがドープされた炭化珪素基板となっている。これにより、炭化珪素基板の表面粗さの悪化や、ボディ層におけるアルミニウムのドープ濃度の低下に起因する半導体装置の性能の低下を抑制することができる。したがって、本実施の形態の炭化珪素基板１０によれば、より高性能な半導体装置を製造することができる。

また、本実施の形態の半導体装置としてのＭＯＳＦＥＴ１は、上記本実施の形態の炭化珪素基板１０を備えているため、より高性能な半導体装置となっている。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ１では、炭化珪素基板１０のボディ層３２において高濃度にアルミニウムがドープされているため、閾値電圧の設定が容易であり、またボディ層３２におけるパンチスルーの発生を抑制することができる。なお、ボディ層３２において高濃度に不純物がドープされる場合、通常チャネル移動度が低下するが、ＭＯＳＦＥＴ１においては、後に詳述する特殊面を有する側壁面ＳＷに沿ってチャネル領域が形成されるため、チャネル移動度の低下は抑制される。

以下、特殊面の構造について詳述する。チャネル面ＣＨを含む側壁面ＳＷ（図１）が特殊面を有することで、チャネル面ＣＨも特殊面を有し得る。図１４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ＣＨ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１５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１６に示すように、（１１−２０）面（図１５中の線分ＸＶＩ−ＸＶＩに沿う断面）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１６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Ｂ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１７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１６）に対応する。

図１８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１８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１８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１９を参照して、側壁面ＳＷの結晶面と、チャネル面ＣＨの移動度ＭＢとの関係について説明する。図１９のグラフにおいて、横軸は、チャネル面ＣＨ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ＣＨ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ＣＨ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１７および図１８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ＣＨ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２０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ＣＨ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１４）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２１に示すように、側壁面ＳＷは複合面ＳＲ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。

エピタキシャル成長膜におけるアルミニウムのドープ濃度に関して、本発明の効果を確認する実験を行った。まず、炭化珪素からなるベース基板として、一方の主表面が（０００−１）面に対して＜１１−２０＞方向に４°のオフ角を有するものを準備した。そして、当該一方の主表面にＲＣＡ洗浄を施した。次に、準備したベース基板をサセプタ内に配置した。次に、サセプタ内にキャリアガスおよび反応ガスを所定の流量で導入した。そして、１６００℃、５０ｋＰａの条件でベース基板を加熱しつつ、当該一方の主表面上にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成した。キャリアガスとしては、水素（Ｈ_２）およびアルゴン（Ａｒ）を含むものを採用し、それぞれの流量は１２５ｓｌｍ、２５ｓｌｍとした。また、反応ガスは、モノシラン（ＳｉＨ_４）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ)を含むものを採用し、それぞれの流量は４５ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍとした。また、Ｃ／Ｓｉは２とした。そして、形成されたエピタキシャル成長膜におけるアルミニウムの濃度について調査した。

上記実験結果について説明する。形成されたエピタキシャル成長膜におけるアルミニウムの濃度は、７×１０^１５ｃｍ^−３以上となっていた。これにより、本発明の炭化珪素基板の製造方法においては、高濃度にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成可能であることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例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。

本発明の炭化珪素基板および半導体装置の製造方法、ならびに炭化珪素基板および半導体装置は、表面粗さの悪化を抑制しつつ、高濃度にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成することが要求される炭化珪素基板の製造方法および当該炭化珪素基板の製造方法が実施される半導体装置の製造方法、ならびにより高性能な半導体装置を製造することが要求される炭化珪素基板および当該炭化珪素基板を備える半導体装置において、特に有利に適用され得る。

１ ＭＯＳＦＥＴ、２ サセプタ、３ プレート、１０ 炭化珪素基板、１０Ａ，２０Ａ，２０Ｂ 主表面、２０ ベース基板、３１ ドリフト層、３２ ボディ層、３３ ソース領域、４０ 酸化膜、４１ ゲート電極、４２ 層間絶縁膜、５０ ソース電極、５１ ソース配線、６０ ドレイン電極、６１ 裏面保護電極、７０ マスク。

Claims (7)

1. 炭化珪素からなるベース基板を準備する工程と、
   準備された前記ベース基板をサセプタ上に接触させて配置する工程と、
   前記サセプタ上に配置された前記ベース基板を加熱しつつ、前記ベース基板のカーボン面側の主表面上にアルミニウムがドープされたエピタキシャル成長膜を形成する工程とを備え、
   前記エピタキシャル成長膜を形成する工程では、希ガスを含むキャリアガスが導入された雰囲気ガス中において前記ベース基板が加熱される、炭化珪素基板の製造方法。
2. 前記キャリアガスに含まれる前記希ガスの割合は、５体積％以上３０体積％以下である、請求項１に記載の炭化珪素基板の製造方法。
3. 前記希ガスは、アルゴンである、請求項１または２に記載の炭化珪素基板の製造方法。
4. 前記キャリアガスは、水素をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
5. 炭化珪素基板を準備する工程と、
   準備された前記炭化珪素基板上に電極を形成する工程とを備え、
   前記炭化珪素基板を準備する工程では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法により製造された炭化珪素基板が準備される、半導体装置の製造方法。
6. 炭化珪素からなるベース基板と、
   前記ベース基板のカーボン面側の主表面上に形成されたエピタキシャル成長膜とを備え、
   前記エピタキシャル成長膜におけるアルミニウム濃度は、７×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１８ｃｍ^−３以下であり、
   前記エピタキシャル成長膜の前記ベース基板側とは反対側の主表面の表面粗さは、ＲＭＳ値で１μｍ以下である、炭化珪素基板。
7. 炭化珪素基板と、
   前記炭化珪素基板上に形成された電極とを備え、
   前記炭化珪素基板は、請求項６に記載の炭化珪素基板である、半導体装置。

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