JP2014239146A - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な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】第１の導電型を有する第１の層（ドリフト層２）と、第１の層（ドリフト層２）上に設けられ第２の導電型を有する第２の層（ボディ領域３）と、第２の層上に設けられ第１の導電型を有する第３の層（ソース領域４）とを含む炭化珪素基板（エピタキシャル基板１００）を備える。炭化珪素基板には、第３の層および第２の層を貫通して第１の層に至る側壁を有するトレンチが設けられており、側壁（側壁面ＳＷ）は、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面（特殊面）を含む。第１の面は絶縁膜（ゲート絶縁膜８）に覆われており、側壁の第１の面において絶縁膜と接触し、第３の層から第１の層に至る第１の導電型を有する第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）をさらに備える。【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関し、特に、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関する。

炭化珪素を材料として用いた半導体装置のうち、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など、所定の閾値電圧を境にチャネル領域における反転層の形成の有無をコントロールし、電流を導通および遮断する半導体装置においては、チャネル移動度の向上やオン抵抗の低減について種々の検討がなされている。

特開平９−１９９７２４号公報には、＜１１２−０＞方向に延長されており、ｎ＋型ソース領域とｐ型炭化珪素半導体層とをともに貫通してｎ−型炭化珪素半導体層に達する溝の内壁に、エピタキシャル成長によりｎ型炭化珪素半導体薄膜層が形成された炭化珪素半導体装置が記載されている。

特開平９−１９９７２４号公報

しかしながら、特開平９−１９９７２４号公報に記載の炭化珪素半導体装置は、閾値電圧の低下やチャネル領域のパンチスルー破壊などの特性劣化といったいわゆる短チャネル効果の発生を抑制しながら高移動度を実現することが困難である。具体的には、ｎ型炭化珪素半導体薄膜層はエピタキシャル成長により形成されるため、炭化珪素半導体装置において一定の不純物濃度を有することになる。そのため、ｐ型炭化珪素半導体層の膜厚を薄くし、かつｐ型炭化珪素半導体層の不純物濃度を高めて短チャネル化を図った場合において、ｎ型炭化珪素半導体薄膜層の全体を高濃度に形成した場合、短チャネル効果の発生を抑制することが困難である。一方、ｎ型炭化珪素半導体薄膜層の全体を低濃度に形成した場合、ｎ型炭化珪素半導体薄膜層を低抵抗することは困難であり、オン抵抗を低減することは困難である。つまり、いわゆる短チャネル効果の発生を抑制しながらチャネル抵抗を低減することができる高性能な炭化珪素半導体装置を得ることは困難であった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、高性能な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にある。

本発明に係る炭化珪素半導体装置は、第１の導電型を有する第１の層と、第１の層上に設けられ第２の導電型を有する第２の層と、第２の層上に設けられ第１の導電型を有する第３の層とを含む炭化珪素基板を備える。炭化珪素基板には、第３の層および第２の層を貫通して第１の層に至る側壁を有するトレンチが設けられており、側壁は、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面を含む。第１の面は絶縁膜に覆われており、側壁の第１の面において絶縁膜に接触し、第３の層から第１の層に至る第１の導電型を有する第１の不純物注入領域をさらに備える。

本発明によれば、高性能な炭化珪素半導体装置を得ることができる。

本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置のチャネル領域の不純物濃度分布を説明するための図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法のフローチャートである。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の変更例を説明するための断面図である。 特殊面を有する側壁面の微視的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１４の線ＸＶ−ＸＶに沿う（１１−２０）面の結晶構造を示す図である。 図１３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１３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１３の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。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。

はじめに、本発明の実施の形態の概要について説明する。
（１）第１の導電型を有する第１の層（ドリフト層２）と、第１の層（ドリフト層２）上に設けられ第２の導電型を有する第２の層（ボディ領域３）と、第２の層（ボディ領域３）上に設けられ第１の導電型を有する第３の層（ソース領域４）とを含む炭化珪素基板（エピタキシャル基板１００）を備える。炭化珪素基板（エピタキシャル基板１００）には、第３の層（ソース領域４）および第２の層（ボディ領域３）を貫通して第１の層（ドリフト層２）に至る側壁を有するトレンチが設けられており、側壁（側壁面ＳＷ）は、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面（面Ｓ１）を含む。第１の面は絶縁膜（ゲート絶縁膜８）に覆われており、側壁（側壁面ＳＷ）の第１の面において絶縁膜（ゲート絶縁膜８）と接触し、第３の層（ソース領域４）から第１の層（ドリフト層２）に至る第１の導電型を有する第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）をさらに備える。

このようにすれば、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絶縁膜（ゲート絶縁膜８）の直下において、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）と第２の層（ボディ領域３）とが接合しているため、ゲート電極９に閾値電圧以上の電圧が印加されていない状態では、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）と第２の層（ボディ領域３）との接合部の境界面から第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）側に空乏層が拡がる。閾値電圧以上の電圧が印加されない場合には、伝導チャネルは形成されない。また、トレンチＴＲの側壁面ＳＷは、特殊面を有しているため、絶縁膜（ゲート絶縁膜８）と第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）との界面における界面準位密度を低減することができるとともに、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）に形成される伝導チャネルの移動度を高めることができる。

（２）第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）の不純物濃度は、第１の面（面Ｓ１）に沿う方向において変化していてもよい。このようにすれば、第２の層（ボディ領域３）が炭化珪素基板（エピタキシャル基板１００）の厚み方向において不純物濃度が一定に設けられている場合にも、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）において、第２の層（ボディ領域３）との接合界面に形成される空乏層の拡がり方はチャネルの延びる方向に異なる。つまり、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）は、空乏化しやすい領域と、不純物濃度が高い領域とを含むことができる。その結果、炭化珪素半導体装置２００は、閾値電圧の低下やチャネル領域のパンチスルー破壊などの特性劣化といったいわゆる短チャネル効果の発生が抑制されるとともに、チャネル抵抗を低減することができる。

（３）第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）の不純物濃度は、第３の層（ソース領域４）側よりも第１の層（ドリフト層２）側の方が低くてもよい。このようにすれば、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）は、第１の導電型の不純物濃度が低い第１の層（ドリフト層２）側において、空乏化しやすく形成されている。その結果、炭化珪素半導体装置２００は、閾値電圧の低下やチャネル領域のパンチスルー破壊などの特性劣化といったいわゆる短チャネル効果の発生が効果的に抑制される。

（４）絶縁膜（ゲート絶縁膜８）と第３の層（ソース領域４）とが直接接触していてもよい。このようにすれば、炭化珪素半導体装置２００は、ｎ型チャネル領域７よりも不純物濃度の高いｎソース領域４と、ゲート絶縁膜８とが直接接触する領域において、高濃度の伝導電子を生じさせることができる。さらに炭化珪素半導体装置２００は、当該領域に生じた高濃度の伝導電子をｎ型チャネル領域７に流通させることができる。

（５）第１の導電型を有する第１の層（ドリフト層２）と、第１の層（ドリフト層２）上に設けられ第２の導電型を有する第２の層（ボディ領域３）と、第２の層（ボディ領域３）上に設けられ第１の導電型を有する第３の層（ソース領域４）とを含む炭化珪素基板（エピタキシャル基板１００）を準備する工程（Ｓ１０）と、炭化珪素基板（エピタキシャル基板１００）に第３の層（ソース領域４）および第２の層（ボディ領域３）を貫通して第１の層（ドリフト層２）に至る側壁を有するトレンチを形成する工程（Ｓ４０）とを備える。側壁は面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面（面Ｓ１）を含む。トレンチＴＲを形成する工程（Ｓ４０）では、側壁の第１の面（面Ｓ１）において表出する第３の層（ソース領域４）から第１の層（ドリフト層２）に至る第１の導電型を有する第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）が形成されている。

工程（Ｓ４０）において面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面（面Ｓ１）を含んでいる側壁面ＳＷ上に表出し、かつ第２の層（ボディ領域３）と接合している第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）をイオン注入法を用いて形成することができる。その結果、トレンチＴＲの側壁面ＳＷを覆うように絶縁膜（ゲート絶縁膜８）を形成し、さらにゲート電極９を形成したときに、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）は炭化珪素半導体装置２００のチャネル領域として機能することができる。これにより、いわゆる短チャネル効果の発生が抑制されるとともに、チャネル抵抗を低減することができる高性能な炭化珪素半導体装置２００を得ることができる。

（６）第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）の不純物濃度を第１の面（面Ｓ１）に沿う方向において変化させてもよい。つまり、工程（Ｓ４０）における注入条件を制御することにより、空乏化しやすい領域と、不純物濃度が高い領域とを含む第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）を容易に形成することができる。

（７）第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）は、トレンチＴＲよりも先に形成されてもよい。つまり、まず第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）を形成する工程（Ｓ４５）として、マスク膜１６を用いてイオン注入してもよい。その後、トレンチを形成する工程（Ｓ４６）を実施することにより、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）を側壁面ＳＷ上に表出するように形成することができる。

（８）第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）は、トレンチＴＲよりも後に形成されてもよい。このようにしても、側壁面ＳＷの第１の面（面Ｓ１）において表出する第３の層（ソース領域４）から第１の層（ドリフト層２）に至る第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）が形成される領域に対応したマスク膜１６を用いてイオン注入することにより、第１の不純物注入領域（ｎ型チャネル領域７）を側壁面ＳＷ上に表出するように形成することができる。

次に、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の構造を説明する。本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置２００は、縦型ＭＯＳＦＥＴとして構成されている。図１に示した炭化珪素半導体装置は、エピタキシャル基板１００と、ゲート絶縁膜８と、ゲート電極９と、層間絶縁膜１０と、ソース電極１２と、ソース配線層１３と、ドレイン電極１４と、裏面保護電極１５とを備える。エピタキシャル基板１００は、ベース基板１と、ドリフト層２と、ボディ領域３（ボディ領域３）と、ソース領域４と、コンタクト領域５と、ｎ型チャネル領域７とを備える。エピタキシャル基板１００の上面の面方位は｛０００１｝に対して０度よりも大きく８度よりも小さいオフ角を有している。

ベース基板１は、結晶系が六方晶である単結晶炭化珪素からなり導電型がｎ型（第１導電型）である。ベース基板１は、たとえばＮ（窒素）などの不純物を高濃度で含んでいる。ベース基板１に含まれる窒素などの不純物濃度はたとえば１．０×１０^１８ｃｍ^−３程度である。

ドリフト層２は、導電型がｎ型である。ドリフト層２はベース基板１上に形成されている、エピタキシャル層である。ドリフト層２は、たとえば窒素（Ｎ）などの不純物を含んでいる。ドリフト層２の不純物濃度は、ベース基板１の不純物濃度よりも低く、たとえば１×１０^１５ｃｍ^−３以上５×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

ボディ領域３は、導電型がｐ型（第２導電型）である。ボディ領域３はドリフト層２上に形成されている。ボディ領域３は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）などの不純物を含んでいる。ボディ領域３の不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１８ｃｍ^−３以下であり、好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３である。ボディ領域３の厚みは、たとえば０．３μｍ以上１．２μｍ以下であり、好ましくは０．５μｍ程度である。

ソース領域４は、導電型がｎ型である。ソース領域４はボディ領域３上に形成されている。ソース領域４は、たとえばＮなどの不純物を含んでいる。ソース領域４の不純物濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下である。ソース領域４の厚みは、たとえば０．１μｍ以上０．４μｍ以下であり、好ましくは０．２μｍ程度である。

コンタクト領域５は、導電型がｐ型である。コンタクト領域５は、ソース領域４を貫通してボディ領域３と接触するように形成されている。コンタクト領域５は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）などの不純物を含んでいる。

トレンチＴＲは、エピタキシャル基板１００の上面（ベース基板１に対して反対側の面）において、ソース領域４、ボディ領域３およびドリフト層２を部分的に除去することにより設けられている。トレンチＴＲは側壁面ＳＷおよび底面ＢＴを有している。側壁面ＳＷはソース領域４およびボディ領域３を貫通してドリフト層２に至っている。底面ＢＴはドリフト層２に位置している。底面ＢＴは、エピタキシャル基板１００の上面とほぼ平行な平坦な形状を有している。

側壁面ＳＷはエピタキシャル基板１００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は、少なくともボディ領域３上において、所定の結晶面（特殊面とも称する）を有している。特殊面の詳細については後述する。

ｎ型チャネル領域７は、導電型はｎ型である。ｎ型チャネル領域７は、トレンチＴＲの側壁面ＳＷに沿うように、ソース領域４、ボディ領域３およびドリフト層２中に形成されている。つまり、本実施の形態においては、ｎ型チャネル領域７は側壁面ＳＷの全面に表出するように形成されている。ｎ型チャネル領域７は底面ＢＴ上に表出するようには形成されていない。ｎ型チャネル領域７に含まれるｎ型不純物は、たとえばＰ（リン）などである。ｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、ソース領域４の不純物濃度よりも低く、ドリフト層２の不純物濃度よりも高くなるように設けられている。ｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、ボディ領域３の不純物濃度よりも高く設けられており、好ましくはボディ領域３の不純物濃度の１．０５倍以上として設けられている。たとえばｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、５×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下であり、好ましくは５×１０^１８ｃｍ^−３である。

図２に本実施の形態におけるｎ型チャネル領域７の不純物濃度の分布を示す。図２（ａ）は、ソース領域４、ボディ領域３およびドリフト層２と接するように形成されたｎ型チャネル領域７の概略断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示したｎ型チャネル領域７についてのトレンチＴＲの深さ方向（ソース領域４、ボディ領域３およびドリフト層２の積層方向）での不純物濃度分布を示すグラフである。図２を参照して、ｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、ｎ型チャネル領域７内において側壁面ＳＷに沿う方向において変化しており、好ましくはドリフト層２とボディ領域３との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、ボディ領域３とソース領域４との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度よりも低い。つまり、ドリフト層２とボディ領域３との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、たとえば５×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。ボディ領域３とソース領域４との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、たとえば５×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。このとき、ボディ領域３上に形成されたｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、ドリフト層２とボディ領域３との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度から漸次増加して、ボディ領域３とソース領域４との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度に達するように設けられていればよい。本実施の形態においては、ソース領域４上に形成された（ボディ領域３とソース領域４との界面よりエピタキシャル基板１００の上面側に位置する）ｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、ボディ領域３とソース領域４との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度よりも低く設けられている。

ゲート絶縁膜８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。つまり、ゲート絶縁膜８は、トレンチＴＲの側壁面ＳＷにおいてｎ型チャネル領域７と直接接触して、これを覆っている。ゲート電極９はゲート絶縁膜８上に設けられている。ソース電極１２は、ソース領域４およびｐコンタクト領域５の各々に接している。ソース配線層１３はソース電極１２に接している。ソース配線層１３は、たとえばアルミニウム層である。層間絶縁膜１０はゲート電極９とソース配線層１３との間を絶縁している。

次に、図１に示した半導体装置の動作について簡単に説明する。図１を参照して、ゲート電極９に閾値以上の電圧が印加されない状態、すなわちオフ状態では、ゲート絶縁膜８直下であってボディ領域３上に設けられているｎ型チャネル領域７において伝導チャネルが形成されない。具体的には、ドリフト層２とボディ領域３との界面近傍において、オフ状態ではｎ型チャネル領域７とボディ領域３との接合部の境界面からｎ型チャネル領域７側に空乏層が拡がるため、非導通状態となる。一方、ゲート電極９に閾値電圧以上の正の電圧が印加されると、ボディ領域３上に設けられているｎ型チャネル領域７において蓄積層が形成される。その結果、ソース領域４とドリフト層２とが電気的に接続された状態となる。この結果、ソース電極１２とドレイン電極１４との間に電流が流れる。

次に、図３〜図１０を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。

まず、結晶系が六法晶である単結晶炭化珪素からなるベース基板１が準備される（工程（Ｓ１０））。次に、図４を参照して、ベース基板１上における炭化珪素のエピタキシャル成長によってドリフト層２が形成される（工程（Ｓ２０））。ベース基板１の、エピタキシャル成長が行われる面は、｛０００−１｝面から８度以内のオフ角を有することが好ましく、（０００−１）面から８度以内のオフ角を有することがより好ましい。エピタキシャル成長はＣＶＤ法により行われ得る。原料ガスとしては、たとえば、シラン（ＳｉＨ_４）とプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）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、図５を参照して、ドリフト層２上にボディ領域３およびソース領域４が形成される（工程（Ｓ３０））。これらの形成は、たとえばドリフト層２の上面２Ａ上へのイオン注入により行い得る。ボディ領域３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。またソース領域４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。さらに、ドリフト層２、ボディ領域３およびソース領域４上にコンタクト領域５が形成される。具体的には、ソース領域４上にコンタクト領域５が形成されることになる位置に対応した開口部を有するマスク膜が形成され、該マスク膜を用いてソース領域４の上面にたとえばＡｌなどのｐ型不純物がイオン注入される。マスク膜はたとえば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる。コンタクト領域５が形成された後、マスク膜は除去される。

次に、図６〜図８を参照して、トレンチＴＲが形成される（工程（Ｓ４０））。具体的には、トレンチＴＲを形成するとともに、ｎ型チャネル領域７を形成する。本実施の形態においては、まず、図６を参照して、ｎ型チャネル領域７が形成される（工程（Ｓ４５））。具体的には、まずソース領域４上に、後の工程（Ｓ４６）においてトレンチＴＲの底面ＢＴが形成されることになる位置に対応した開口部を有するマスク膜１６が形成される。マスク膜１６の開口部は、トレンチＴＲの底面ＢＴと比べてトレンチＴＲの側壁面ＳＷが形成されることになる側に広く形成されている。マスク膜１６の開口部は壁面１６ｗで規定される。マスク膜１６の材質、膜厚、および壁面１６Ｗの形状（上面２Ａに対する傾斜角など）は、本工程（Ｓ４０）においてマスク膜１６を介してイオン注入が所定の注入条件（注入エネルギーなど）で行われたときに、ｎ型チャネル領域７が側壁面ＳＷに沿って形成されるように設けられる。ｎ型チャネル領域７が形成されない位置を覆うマスク膜１６の膜厚は、ソース領域４へのイオン注入を阻止できる十分な厚さを有していればよい。

本工程（Ｓ４５）では、次に、マスク膜１６を用いて上面２Ａに対してｎ型不純物が注入される。本実施の形態においては、注入方向は上面２Ａに対して垂直な方向である。上面２Ａ上においてマスク膜１６の壁面１６ｗが形成されている位置では、マスク膜１６の壁面１６ｗを介してｎ型不純物が注入される。本工程（Ｓ４５）におけるｎ型不純物の注入エネルギーは、たとえば１００ｋｅＶ以上５００ｋｅＶ以下程度である。注入エネルギーが１００ｋｅＶ未満である場合には、ｎ型チャネル領域７をソース領域４、ボディ領域３およびドリフト層２中に渡って形成することは困難である。一方、上記注入エネルギーが５００ｋｅＶ超えである場合には、後の工程（Ｓ４６）においてトレンチＴＲの底面ＢＴが形成されることになるドリフト層２上の位置よりも、上面２Ａからの深さが深い領域にまで不純物が注入されるおそれがある。

このとき、注入エネルギーとドーズ量などの注入条件を制御することにより、ｎ型チャネル領域７は、不純物濃度が後の工程（Ｓ４６）にて形成される側壁面ＳＷに沿う方向において変化するように形成される。好ましくはドリフト層２とボディ領域３との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度が、ボディ領域３とソース領域４との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度よりも低く設けられる。このようにして、ベース基板１と、ドリフト層２と、ボディ領域３と、ソース領域４と、コンタクト領域５と、ｎ型チャネル領域７とを備えるエピタキシャル基板１００が形成される。

次に、図７および図８を参照して、トレンチＴＲが形成される（工程（Ｓ４６））。具体的には、図７を参照して、まず図１６に示したマスク膜１６を除去した後、ソース領域４の上部表面上にマスク層１７を形成する。マスク層１７として、たとえばＳｉＯ_２などの絶縁膜を用いることができる。マスク層１７の形成方法は、たとえばＣＶＤ法などを用いて絶縁膜を形成する。マスク層１７の膜厚は、本工程（Ｓ４６）におけるエッチング条件に曝されたときに確実に残存することができる任意の厚さとすればよい。次に、絶縁膜上にフォトリソグラフィ法を用いて、トレンチＴＲの底面ＢＴが形成されるべき領域に開口部を有するレジスト膜（図示せず）を形成する。このレジスト膜をマスクとして用いて、レジスト膜の開口部から露出した絶縁膜を除去することにより、絶縁膜に開口パターンを形成する。その後レジスト膜を除去する。この結果、図７に示したトレンチＴＲの底面ＢＴが形成されるべき領域に開口部を有するマスク層１７が形成される。

次に、図７を参照して、マスク層１７をマスクとして用いて、ｎ型チャネル領域７の一部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ＳＦ_６またはＳＦ_６とＯ_２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が形成されるべき領域に、エピタキシャル基板１００の上面２Ａ（ソース領域４の上面）に対してほぼ垂直な側壁を有する溝が形成される。このようにして、図７に示す構造を得る。

次に、図８を参照して、マスク層１７をマスクとして用いて、ｎ型チャネル領域７の一部が熱エッチングによりさらに除去される。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、基板を加熱することによって行い得る。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、Ｃｌ_２、ＢＣＬ_３、ＳＦ_６、またはＣＦ_４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。これにより、側壁面ＳＷを有しているトレンチＴＲが形成される。側壁面ＳＷはエピタキシャル基板１００の上面に対して傾斜しており、側壁面ＳＷの全面においてｎ型チャネル領域７が表出している。好ましくは、ボディ領域３上に設けられているｎ型チャネル領域７上において、側壁面ＳＷは所定の結晶面（特殊面とも称する）を含んでいる。具体的には、側壁面ＳＷは面方位｛０−３３−８｝を有する面を含んでいる。図９を参照して、マスク層１７は、図８に示す構造を得た後、任意の方法によって除去される。

次に、エピタキシャル基板１００に注入された不純物を活性化するための活性化アニールが行われる（工程（Ｓ５０））。具体的には、たとえばアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガス雰囲気中において、エピタキシャル基板１００をたとえば１７００℃程度に加熱して、３０分間程度保持する熱処理が実施される。これにより、エピタキシャル基板１００に注入された不純物が活性化する。

次に、図１０を参照して、ゲート絶縁膜が形成される（工程（Ｓ６０））。具体的には、トレンチＴＲの側壁面ＳＷおよび底面ＢＴ、ならびにエピタキシャル基板１００の上面を覆うようにゲート絶縁膜８が形成される。ゲート絶縁膜８は、たとえば熱酸化により形成され得る。

次に、図１１を参照して、ゲート電極９が形成される（工程（Ｓ７０））。具体的には、トレンチＴＲの内部の領域（側壁面ＳＷおよび底面ＢＴで囲われた領域）をゲート絶縁膜８を介して埋めるようにゲート電極９が形成される。まず、ゲート絶縁膜８上においてゲート電極となるべき導電体膜を、スパッタリング法などを用いて形成する。導電体膜の材料としては導電性を有する材料であれば金属など任意の材料を用いることができる。その後、エッチバックあるいはＣＭＰ法など任意の方法を用いて、トレンチＴＲの内部以外の領域に形成された導電体膜の部分を除去する。このようにして、図１１に示す構造を得る。

次に、図１２を参照して、層間絶縁膜１０が形成される（工程（Ｓ８０））。具体的には、まず、ゲート電極９の上部表面を覆うように、ゲート絶縁膜８およびゲート電極９上に層間絶縁膜１０が形成される。層間絶縁膜１０を構成する材料は、絶縁性を有する材料であれば任意の材料とすればよい。次に、層間絶縁膜１０上に、ｐ型のコンタクト領域５上に開口部を有するレジスト膜（図示しない）が形成される。該レジスト膜をマスクとして用いて、層間絶縁膜１０およびゲート絶縁膜８を部分的にエッチングにより除去する。この結果、層間絶縁膜１０およびゲート絶縁膜８には、ｐ型のコンタクト領域５およびソース領域４の一部が露出した開口部が形成される。

次に、オーミック電極（ソース電極１２およびドレイン電極１４）が形成される（工程（Ｓ９０））。具体的には、まず、ソース電極１２が、先の工程（Ｓ８０）において形成したレジスト膜を用いたリフトオフ法により形成される。ソース電極１２はｐ型のコンタクト領域５およびソース領域４と接するように形成される。さらに、ドレイン電極１４が、ベース基板１においてエピタキシャル基板１００の下面（トレンチＴＲが形成されている面とは反対側の表面）上に形成される。

次に、パッド電極（図示しない）や各電極と電気的に接続された配線（図示しない）が形成される（工程（Ｓ１００））。以上の手順により、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置２００を得ることができる。

次に、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置２００およびその製造方法の作用効果について説明する。

本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置２００では、ｎ型チャネル領域７が、ソース領域４およびボディ領域３を貫通してドリフト層２に至るように形成されているトレンチＴＲの側壁面ＳＷの全面に表出するように形成されている。つまり、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絶縁膜８の直下において、ｎ型チャネル領域７とボディ領域３とが接合している。そのため、ゲート電極９に閾値電圧以上の電圧が印加されていない状態では、上述のように、ｎ型チャネル領域７とボディ領域３との接合部の境界面からｎ型チャネル領域７側に空乏層が拡がっており、ｎ型チャネル領域７において伝導チャネルが形成されない。一方、ゲート電極９に閾値電圧以上の電圧が印加されている状態では、ボディ領域３上に設けられているｎ型チャネル領域７には蓄積層が形成されることにより、ｎ型チャネル領域７において伝導チャネルが形成される。

さらに、トレンチＴＲの側壁面ＳＷは、特殊面を有している。そのため、ゲート絶縁膜８とｎ型チャネル領域７との界面における界面準位密度を低減することができるとともに、ｎ型チャネル領域７に形成される伝導チャネルの移動度を高めることができる。

また、ｎ型チャネル領域７はイオン注入により形成されるため、注入条件を制御することによりｎ型チャネル領域７の不純物濃度分布を制御することができる。そのため、ドリフト層２とボディ領域３との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度がボディ領域３とソース領域４との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度よりも低く設けることができる。この場合には、ドリフト層２とボディ領域３との界面付近において、オフ状態時にｎ型チャネル領域７とボディ領域３との接合部の境界面において生じる空乏層がｎ型チャネル領域７側により拡がる。その結果、ボディ領域３が薄く形成されている場合にも短チャネル効果をより効果的に抑制することができる。また、ｎ型チャネル領域７の不純物濃度を低くすることにより、閾値電圧を高くすることができる。つまり、ｎ型チャネル領域７の不純物濃度を制御することにより、閾値電圧を制御することができる。さらにこの場合には、ボディ領域３とソース領域４との界面付近でのｎ型チャネル領域７の不純物濃度は、たとえば５×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｍ^−３以下程度と高く設けられていてもよい。このようにすれば、ゲート電極９に閾値電圧以上の電圧が印加されて、ゲート絶縁膜８直下であってボディ領域３上に設けられているｎ型チャネル領域７において伝導チャネルが形成された場合に、チャネル抵抗を低減することができ、オン抵抗を低減することができる。

なお、本実施の形態において、ｎ型チャネル領域７は、側壁面ＳＷの全面に表出するように形成されていたが、これに限られるものではない。ｎ型チャネル領域７は、少なくともボディ領域３中に形成されているｎ型チャネル領域７上の部分において形成されていればよい。たとえば、図１１を参照して、ｎ型チャネル領域７は、ドレイン電極１４側においてドリフト層２に接するように形成されていてもよく、好ましくはドリフト層２内に相対的に長い距離だけ延在しない。このようにすれば、炭化珪素半導体装置２００内における電流経路として、ｎ型チャネル領域７よりも不純物濃度が低く高移動度を示すドリフト層２をより積極的に利用することができる。その結果、炭化珪素半導体装置２００のチャネル移動度をさらに向上することができる。また、図１１を参照して、ｎ型チャネル領域７は、ソース電極１２側においても、ｎソース領域４に接するように形成されていてもよい。この場合、ｎ型チャネル領域７よりも不純物濃度の高いｎソース領域４と、ゲート絶縁膜８とが直接接触する領域が形成されるため、当該領域に生じる高濃度の伝導電子をｎ型チャネル領域７に流通させることができる。

本実施の形態において、ｎ型チャネル領域７を形成する工程（Ｓ４５）の後にトレンチＴＲを形成する工程（Ｓ４６）を行っているが、これに限られるものではない。たとえば、トレンチＴＲを形成した後、トレンチＴＲの側壁面ＳＷに対してイオン注入を行うことにより、ｎ型チャネル領域７を形成してもよい。

次に、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、トレンチＴＲの側壁面ＳＷは特殊面を有している。

図１３に示すように、特殊面を有する側壁面ＳＷは、面Ｓ１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１４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１５に示すように、（１１−２０）面（図１４の線ＸＶ−ＸＶ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１５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１６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１５）に対応する。

図１７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１７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１７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１８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１８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１６および図１７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１９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１３）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２０に示すように、側壁面ＳＷは複合面ＳＲ（図２０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。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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の形態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。

１ ベース基板、２ ドリフト層、２Ａ 上面、３ ボディ領域、４ ソース領域、５ コンタクト領域、７ ｎ型チャネル領域、８ ゲート絶縁膜、９ ゲート電極、１０ 層間絶縁膜、１２ ソース電極、１３ ソース配線層、１４ ドレイン電極、１６ マスク膜、１６ｗ 壁面、１７ マスク層、１００ エピタキシャル基板、２００ 炭化珪素半導体装置。

Claims (8)

1. 第１の導電型を有する第１の層と、前記第１の層上に設けられ第２の導電型を有する第２の層と、前記第２の層上に設けられ第１の導電型を有する第３の層とを含む炭化珪素基板を備え、
   前記炭化珪素基板には、前記第３の層および前記第２の層を貫通して前記第１の層に至る側壁を有するトレンチが設けられており、
   前記側壁は、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面を含み、前記第１の面は絶縁膜に覆われており、
   前記側壁の前記第１の面において前記絶縁膜に接触し、前記第３の層から前記第１の層に至る第１の導電型を有する第１の不純物注入領域をさらに備える、炭化珪素半導体装置。
2. 前記第１の不純物注入領域の不純物濃度は、前記第１の面に沿う方向において変化している、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記第１の不純物注入領域の不純物濃度は、前記第３の層側よりも前記第１の層側の方が低い、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
4. 前記絶縁膜と前記第３の層とが直接接触している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
5. 第１の導電型を有する第１の層と、前記第１の層上に設けられ第２の導電型を有する第２の層と、前記第２の層上に設けられ第１の導電型を有する第３の層とを含む炭化珪素基板を準備する工程と、
   前記炭化珪素基板に前記第３の層および前記第２の層を貫通して前記第１の層に至る側壁を有するトレンチを形成する工程とを備え、
   前記側壁は面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面を含み、
   前記トレンチを形成する工程では、前記側壁の前記第１の面において表出する前記第３の層から前記第１の層に至る第１の導電型を有する第１の不純物注入領域が形成されている、炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 前記第１の不純物注入領域の不純物濃度を前記第１の面に沿う方向において変化させる、請求項５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
7. 前記第１の不純物注入領域は、前記トレンチよりも先に形成されている、請求項５または６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
8. 前記第１の不純物注入領域は、前記トレンチよりも後に形成されている、請求項５または６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
   

Images