JP2014033068A - 炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素基板 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル成長時の基板の裏面の表面粗さの増大を抑制する。
【解決手段】（０００１）面から８度以内のオフ角を有する第１の主面Ｐ１と、第１の主面Ｐ１と反対の第２の主面Ｐ２とを有する、炭化珪素からなる単結晶基板８０が準備される。第１の主面Ｐ１を覆う保護膜７３が形成される。保護膜７３によって第１の主面Ｐ１が覆われた状態を保ちながら第２の主面Ｐ２上における炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことによって、単結晶基板８０と第２の主面Ｐ２上に設けられたエピタキシャル層８１とを有する炭化珪素基板１０１が形成される。エッチングによって保護膜７３が除去される。
【選択図】図８

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素基板に関するものである。

電力用半導体装置に適した材料のひとつとして考えられているものとして、ポリタイプ４Ｈの結晶構造を有する炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ）がある。

「Keiji Wada et al., "Epitaxial growth of 4H-SiC on 4° off-axis (0 0 0 1) and (0 0 0 -1) substrates by hot-wall chemical vapor deposition", Journal of Crystal Growth, Volume 291, Issue 2 (2006), pp. 370-374」によれば、高純度でかつ良好な表面モフォロジでの再現性のあるエピ層の成長のため、４Ｈ−ＳｉＣホモエピタキシャル成長は主に、８度オフ角（０００１）Ｓｉ面基板上に行われている旨が記載されている。またチャネル移動度を顕著に高めた高性能電力用ＭＯＳＦＥＴの製造に向けて、（０００１）Ｓｉ面に置き換わる有望な候補として、（０００−１）Ｃ面について言及されている。（０００−１）Ｃ面上には、広いＣ／Ｓｉ比の範囲において、マクロスコピックなステップバンチングなしにエピ層を形成し得る、と記載されている。

Keiji Wada et al., "Epitaxial growth of 4H-SiC on 4° off-axis (0 0 0 1) and (0 0 0 -1) substrates by hot-wall chemical vapor deposition", Journal of Crystal Growth, Volume 291, Issue 2 (2006), pp. 370-374

基板のＣ面上にエピタキシャル成長が行われる場合、Ｃ面と反対の面であるＳｉ面はエピタキシャル成長が行われない面、すなわち裏面である。上記文献のように、Ｃ面上に形成されたエピタキシャル層の品質についての検討はあったものの、その際の裏面の状態については検討がなされていなかった。

本発明者らは、Ｃ面あるいはＣ面からある程度以内のオフ角を有する面上にエピタキシャル成長が行われる際、裏面の表面粗さが顕著に増大することを見出した。裏面の表面粗さが過大な場合、その基板を用いた半導体装置の製造に支障が生じ得る。たとえば、フォトリソグラフィにおけるエピタキシャル基板の上面へのフォーカス合わせが、裏面からの光散乱によって乱されることがある。これを解消するために仮にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)が行われたとすると、ＣＭＰの研磨材の残留が後の工程に悪影響を及ぼし得る。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、この発明の一の目的は、エピタキシャル成長時における基板の裏面の表面粗さの増大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。また本発明の他の目的は、裏面の表面粗さが小さい炭化珪素半導体基板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。（０００１）面から８度以内のオフ角を有する第１の主面と、第１の主面と反対の第２の主面とを有する、炭化珪素からなる単結晶基板が準備される。単結晶基板の第１の主面を覆う保護膜が形成される。保護膜によって第１の主面が覆われた状態を保ちながら単結晶基板の第２の主面上における炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことによって、単結晶基板と単結晶基板の第２の主面上に設けられたエピタキシャル層とを有する炭化珪素基板が形成される。炭化珪素基板が形成された後に、エッチングによって保護膜が除去される。

この製造方法によれば、単結晶基板の第２の主面上におけるエピタキシャル成長時に、第１の主面が保護膜によって保護される。これにより、エピタキシャル成長工程の際の第１の主面の表面粗さの増大を抑制することができる。

保護膜は炭素原子を含んでもよい。これにより、炭化珪素からなる単結晶基板に対する保護膜の密着性を確保しやすくなる。

保護膜は、炭素原子の酸化によって炭化珪素の昇華温度未満の温度で酸化分解可能な材料からなってもよい。これにより、酸化分解を用いて保護膜を除去することができる。

保護膜が除去される際に、保護膜が酸化されてもよい。これにより、保護膜が酸化分解によって除去される。

保護膜が酸化される際に、酸化雰囲気下で保護膜に対してドライエッチングが行われてもよい。これによりドライエッチングによって保護膜が酸化されるので、ドライエッチングの速度を高めることができる。

保護膜が形成される際に、単結晶基板の第１の主面を覆う有機膜が形成され、この有機膜が炭化されてもよい。これにより保護膜を有機膜から形成することができる。

有機膜が形成される際に、単結晶基板の第１の主面上にレジストが塗布されてもよい。これによりレジストから有機膜を形成することができる。

保護膜は、単結晶基板の第１の主面上に無機物を堆積することによって形成されてもよい。これにより堆積法によって保護膜を形成することができる。

無機物は、カーボンおよびダイヤモンドライクカーボンのいずれかであってもよい。これにより保護膜を容易に形成することができる。

保護膜は、エピタキシャル層を形成する工程における単結晶基板の最高温度よりも高い融点を有する金属炭化物からなってもよい。この場合、緻密な保護膜を形成することができる。よって単結晶基板の第１の主面をより確実に保護することができる。

金属炭化物はタンタル原子を含んでもよい。これにより緻密な保護膜を形成することができる。よって単結晶基板の第１の主面をより確実に保護することができる。

保護膜が除去される際に、保護膜に対してウエットエッチングが行われてもよい。これにより保護膜が除去される際に第１の主面に与えられるダメージを抑えることができる。

炭化珪素基板が形成される際に、炭化珪素基板へ水素ガスが供給されてもよい。この場合、単結晶基板の第１の主面が水素ガスから保護膜によって保護される。これにより第１の主面の表面粗さの増大を抑制することができる。

上記製造方法において、フォトリソグラフィ法によって炭化珪素基板が加工されてもよい。本願発明によれば単結晶基板の第１の主面の表面粗さの増大が抑制されるので、表面粗さに起因してフォトリソグラフィが困難となることを防ぐことができる。

本発明の炭化珪素基板は単結晶基板およびエピタキシャル層を有する。単結晶基板は、第１の主面と、第１の主面と反対の第２の主面とを有する。第１の主面は、（０００１）面から８度以内のオフ角を有し、かつＲａ５０ｎｍ以下の表面粗さを有する。エピタキシャル層は単結晶基板の第２の主面上に設けられている。

この炭化珪素基板によれば、第１の主面の表面粗さがＲａ５０ｎｍ以下とされる。これにより、この炭化珪素基板を用いた半導体装置の製造において、第１の主面の表面粗さに起因した問題の発生を抑制することができる。

上記のように本発明によれば、単結晶基板の第２の主面上におけるエピタキシャル成長時に、第１の主面が保護膜によって保護される。これにより、エピタキシャル成長工程の際の第１の主面の表面粗さの増大を抑制することができる。

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層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。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法の第１０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１１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１２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１３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１４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１５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１６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１７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１８工程を概略的に示す部分断面図である。 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。

（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は具体的には、単結晶基板８０と、ｎドリフト層８１（エピタキシャル層）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のエピタキシャル層側の面（図１の上面）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の上面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。

次にＭＯＳＦＥＴ２０１の製造方法について、以下に説明する。
図３に示すように、裏面Ｐ１（図３中では上側に描かれている）および上面Ｐ２（図３中では下側に描かれている）を有する単結晶基板８０が準備される。裏面Ｐ１（第１の主面）は、（０００１）面から８度以内のオフ角を有する。上面Ｐ２（第２の主面）は、裏面Ｐ１と反対の面であり、裏面Ｐ１とほぼ平行な面である。よって上面Ｐ２は、（０００−１）面から８度以内のオフ角を有する。好ましくは、裏面Ｐ１のオフ角は４度以内である。また好ましくは裏面Ｐ１のオフ角は２度超である。

図４に示すように、単結晶基板８０の裏面Ｐ１上にレジスト７１が塗布される。このレジスト７１が固化されることで、単結晶基板８０の裏面Ｐ１を覆うレジスト膜７２（有機膜）が形成される（図５）。レジスト膜７２が炭化されることで、単結晶基板８０の裏面Ｐ１を覆う保護膜７３が形成される（図６）。炭化のための温度は、好ましくは７５０℃以上である。保護膜７３は有機膜の炭化によって形成されるので、保護膜７３の材料は主に炭素原子からなる。またこの材料は、炭素原子の酸化によって容易に酸化分解可能であり、そのために必要な温度は、炭化珪素の昇華温度である２０００℃程度よりも小さい。

図７に示すように、単結晶基板８０を成膜工程中に支持するための部材であるサセプタ５０が準備される。サセプタ５０は、たとえばカーボンから作られている。保護膜７３がサセプタ５０に面するように、単結晶基板８０がサセプタ５０上に載置される。

図８に示すように、単結晶基板８０の上面Ｐ２上において炭化珪素のエピタキシャル成長が行われる。これにより、単結晶基板８０と単結晶基板８０の上面Ｐ２上に設けられたｎドリフト層８１（エピタキシャル層）とを有するエピタキシャル基板１０１（炭化珪素基板）が形成される。このエピタキシャル成長の間、保護膜７３によって裏面Ｐ１が覆われた状態が保たれる。エピタキシャル成長の完了後、エピタキシャル基板１０１がサセプタ５０から分離される（図９）。

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。この際、エピタキシャル基板１０１へキャリアガスとして水素ガスが供給され得る。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。

次に、エッチングによって保護膜７３が除去される（図１０）。これにより、露出された裏面Ｐ１を有するエピタキシャル基板１０１が得られる。裏面Ｐ１の表面粗さはＲａ５０ｎｍ以下であり、好ましくはＲａ２０ｎｍ以下である。保護膜７３が除去される際に、保護膜７３が酸化される。具体的には、保護膜７３が酸化される際に、酸化雰囲気下で保護膜７３に対してドライエッチングが行われる。なおｎドリフト層８１の表面粗さ（図１０における上面の表面粗さ）は、好ましくは１ｎｍ以下とされる。

図１１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１２に示すように、エピタキシャル基板１０１のｎ領域８３上にレジスト膜６０が形成される。次にレジスト膜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マスク層６１（図１３）が形成される。次にマスク層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。次にマスク層６１が除去される（図１４）。このように、フォトリソグラフィ法によってエピタキシャル基板１０１に対して局所的な不純物領域を形成するという加工が行われる。

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１５に示すように、ｎ領域８３およびｐコンタクト領域８４からなる面上に、開口部を有するマスク層４０がフォトリソグラフィ法によって形成される。マスク層４０として、たとえばシリコン酸化膜などを用いることができる。開口部はトレンチＴＲ（図１）の位置に対応して形成される。次に、マスク層４０を用いて、エピタキシャル基板１０１の加工が行われる。言い換えればフォトリソグラフィ法によってエピタキシャル基板１０１が加工される。以下にその詳細について説明する。

図１６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。

次に、凹部ＴＱにおいて熱エッチングが行われる。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。そして、上述のように熱処理温度を７００℃以上１０００℃以下とした場合、ＳｉＣのエッチング速度はたとえば約７０μｍ／時になる。また、この場合に、酸化珪素から作られたマスク層４０は、ＳｉＣに対する選択比が極めて大きいので、ＳｉＣのエッチング中に実質的にエッチングされない。

図１７に示すように、上記の熱エッチングにより、エピタキシャル基板１０１上にトレンチＴＲが形成される。好ましくは、トレンチＴＲの形成時、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。次にマスク層４０がエッチングなど任意の方法により除去される。

図１８に示すように、トレンチＴＲの側壁面ＳＷおよび底面ＢＴの各々を覆うゲート酸化膜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。この開口部により上面Ｐ２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。次に上面Ｐ２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。

本実施の形態の製造方法によれば、図８に示すように、単結晶基板８０の上面Ｐ２上におけるエピタキシャル成長時に、裏面Ｐ１が保護膜７３によって保護される。これにより、エピタキシャル成長工程の際の裏面Ｐ１の表面粗さの増大を抑制することができる。

保護膜７３は炭素原子を含む。これにより、炭化珪素からなる単結晶基板８０に対する保護膜７３の密着性を確保しやすくなる。

保護膜７３は、炭素原子の酸化によって炭化珪素の昇華温度未満の温度で酸化分解可能な材料からなる。これにより、酸化分解を用いて保護膜７３を除去することができる。保護膜７３が除去される際に、保護膜７３が酸化される。これにより、保護膜７３が酸化分解によって除去される。保護膜７３が酸化される際に、酸化雰囲気下で保護膜７３に対してドライエッチングが行われる。これによりドライエッチングによって保護膜７３が酸化されるので、ドライエッチングの速度を高めることができる。

保護膜７３が形成される際に、単結晶基板８０の裏面Ｐ１を覆うレジスト膜７２（図５）が形成され、このレジスト膜７２が炭化される。これにより保護膜７３（図６）をレジスト膜７２から形成することができる。レジスト膜７２が形成される際に、単結晶基板８０の裏面Ｐ１上にレジストが塗布される。これによりレジストからレジスト膜７２を形成することができる。

エピタキシャル基板１０１が形成される際（図８）に、炭化水素に対して浸食性を有する水素ガスがエピタキシャル基板１０１へ供給される。この水素ガスから単結晶基板８０の裏面Ｐ１が保護膜７３によって保護される。これにより裏面Ｐ１の表面粗さの増大を抑制することができる。

フォトリソグラフィ法によってエピタキシャル基板１０１が加工される（図１２〜図１４）。本実施形態によれば単結晶基板８０の裏面Ｐ１の表面粗さの増大が抑制されるので、表面粗さに起因してフォトリソグラフィが困難となることを防ぐことができる。

エピタキシャル基板１０１（図１１）によれば、裏面Ｐ１の表面粗さがＲａ１０ｎｍ以下とされる。これにより、このエピタキシャル基板１０１を用いた半導体装置の製造において、裏面Ｐ１の表面粗さに起因した問題の発生を抑制することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、保護膜７３の単結晶基板８０の裏面Ｐ１上への形成が、実施の形態１と異なり、無機物を堆積することによって形成される（図６）。この無機物は、カーボンおよびダイヤモンドライクカーボンのいずれかであってもよい。これにより保護膜７３を容易に形成することができる。

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。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、保護膜７３が単結晶基板８０の裏面Ｐ１上に無機物を堆積することによって形成される（図６）。保護膜７３は、ｎドリフト層８１を形成する工程における単結晶基板８０の最高温度よりも高い融点を有する金属炭化物からなる。これにより緻密な保護膜７３を形成することができる。よって単結晶基板８０の裏面Ｐ１をより確実に保護することができる。この金属炭化物はタンタル原子を含むことが好ましい。より具体的には、保護膜７３は炭化タンタル（ＴａＣ）からなってもよい。これにより緻密な保護膜７３を形成することができる。よって単結晶基板８０の裏面Ｐ１をより確実に保護することができる。

また本実施の形態において、保護膜７３が除去される際に、保護膜７３に対してウエットエッチングが行われてもよい。これにより保護膜７３が除去される際に裏面Ｐ１に与えられるダメージを抑えることができる。エッチング液としては、たとえば硫酸またはフッ化水素を用いることができる。

（特殊面）
上述した側壁面ＳＷは、特にｐベース層８２上の部分において、特殊面を有する。特殊面を有する側壁面ＳＷは、図２１に示すように、面方位（０−３３−８）を有する面Ｓ１（第１の面）を含む。言い換えれば、トレンチＴＲの側壁面ＳＷ上においてｐベース層８２には、面Ｓ１を含む表面が設けられている。

より好ましくは、側壁面ＳＷは面Ｓ１を微視的に含み、側壁面ＳＷはさらに、面方位（０−１１−１）を有する面Ｓ２（第２の面）を微視的に含む。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の面Ｓ１および面Ｓ２は、面方位（０−１１−２）を有する複合面ＳＲを構成している。すなわち複合面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。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（すなわちＭＯＳＦＥＴの厚さ方向（図１などにおける縦方向））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２２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２２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。

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に加えてさらに面Ｓ３（第３の面）を含んでもよい。より具体的には、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を側壁面ＳＷが含んでもよい。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。

このような周期的構造は、たとえば、ＴＥＭまたはＡＦＭ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。

７１ レジスト、７２ レジスト膜（有機膜）、７３ 保護膜、８０ 単結晶基板、８１ ｎドリフト層（エピタキシャル層）、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、２０１ ＭＯＳＦＥＴ（炭化珪素半導体装置）、ＢＴ 底面、Ｐ１ 裏面（第１の主面）、Ｐ２ 上面（第２の主面）、ＳＷ 側壁面、ＴＲ トレンチ。

Claims (15)

1. （０００１）面から８度以内のオフ角を有する第１の主面と、前記第１の主面と反対の第２の主面とを有する、炭化珪素からなる単結晶基板を準備する工程と、
   前記単結晶基板の前記第１の主面を覆う保護膜を形成する工程と、
   前記保護膜によって前記第１の主面が覆われた状態を保ちながら前記単結晶基板の前記第２の主面上における炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことによって、前記単結晶基板と前記単結晶基板の前記第２の主面上に設けられたエピタキシャル層とを有する炭化珪素基板を形成する工程と、
   前記炭化珪素基板を形成する工程の後に、エッチングによって前記保護膜を除去する工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記保護膜は炭素原子を含む、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 前記保護膜は、前記炭素原子の酸化によって炭化珪素の昇華温度未満の温度で酸化分解可能な材料からなる、請求項２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 前記保護膜を除去する工程は、前記保護膜を酸化する工程を含む、請求項３に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 前記保護膜を酸化する工程は、酸化雰囲気下で前記保護膜に対してドライエッチングを行う工程を含む、請求項４に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 前記保護膜を形成する工程は、
   前記単結晶基板の前記第１の主面を覆う有機膜を形成する工程と、
   前記有機膜を炭化する工程とを含む、請求項２〜５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. 前記有機膜を形成する工程は、前記単結晶基板の前記第１の主面上にレジストを塗布する工程を含む、請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
8. 前記保護膜を形成する工程は、前記単結晶基板の前記第１の主面上に無機物を堆積することによって行われる、請求項２〜５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。
9. 前記無機物は、カーボンおよびダイヤモンドライクカーボンのいずれかである、請求項８に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
10. 前記保護膜は、前記エピタキシャル層を形成する工程における前記単結晶基板の最高温度よりも高い融点を有する金属炭化物からなる、請求項２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
11. 前記金属炭化物はタンタル原子を含む、請求項１０に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
12. 前記保護膜を除去する工程は、前記保護膜に対してウエットエッチングを行う工程を含む、請求項１０または１１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
13. 前記炭化珪素基板を形成する工程は、前記炭化珪素基板へ水素ガスを供給する工程を含む、請求項１〜１２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。
14. フォトリソグラフィ法によって前記炭化珪素基板を加工する工程をさらに備える、請求項１〜１３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。
15. （０００１）面から８度以内のオフ角を有しかつＲａ５０ｎｍ以下の表面粗さを有する第１の主面と、
    前記第１の主面と反対の第２の主面とを有する単結晶基板を備え、さらに
    前記単結晶基板の前記第２の主面上に設けられたエピタキシャル層を備える、炭化珪素基板。

Images