JP6279933B2 - 炭化珪素半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素半導体素子の製造方法に関する。

炭化珪素半導体素子は、インバータ等に利用されるパワーデバイスとして注目されている。炭化珪素半導体素子では、従来のシリコン半導体素子及びヒ化ガリウム半導体素子と比較して、結晶の格子定数が小さくバンドギャップが大きい。そのため、炭化珪素半導体素子は、従来のシリコン半導体素子及びヒ化ガリウム半導体素子と比較して、優れた特性を有する。

上述のとおり、炭化珪素では、珪素と比較して結晶の格子定数が小さい。つまり、原子間が強固に結合する。そのため、炭化珪素基板は、シリコン半導体基板と比較して、エッチング加工しにくい。

本出願人により出願された特開２０１１−９６７００号公報（特許文献１）は、炭化珪素基板のエッチング方法（プラズマエッチング方法）を提案する。

特許文献１に開示されたプラズマエッチング方法では、エッチング加工前に炭化珪素基板を予熱する。具体的には、炭化珪素基板の表面にマスクを形成する。マスクが形成された炭化珪素基板を、処理チャンバ内の基台上に配置する。不活性ガスを処理チャンバ内に導入してプラズマ化する。基台にバイアス電力を印加して、プラズマ化により生成されたイオンを炭化珪素基板に入射させる。これにより、炭化珪素基板の温度を２００℃以上のエッチング処理温度まで高める（予熱）。予熱後、エッチングガスを処理チャンバ内に導入してプラズマ化し、炭化珪素基板をエッチングする。

特許文献１のプラズマエッチング方法では、予熱により炭化珪素基板のＳｉ及びＣの結合を切断するのに必要なエネルギの一部を供給する。そのため、基板内の原子間の結合が切断しやすくなり、エッチング加工しやすくなる。

ところで、プラズマエッチングでは、エッチングにより加工されたトレンチの底部にサブトレンチが形成される場合がある。トレンチの側壁角度（テーパ角）が高角度になるほど、サブトレンチが形成され得る。

サブトレンチを抑制するための技術が、特開２００４−２５３５７６号公報（特許文献２）及び特開２０１０−３９８８（特許文献３）に提案されている。

特許文献２に開示された半導体装置の製造方法は、半導体層の表面層に凹部を形成するための異方性エッチングをおこなう工程と、少なくとも、半導体層を等方性エッチングするための第１のガス、および半導体層と反応して露出面に保護膜を堆積するための第２のガスを含む混合ガスを用いて、半導体層を５０℃以上の温度に保持しながら等方性ドライエッチングをおこなう工程とを含む。異方性エッチングを行い凹部を形成した後、等方性エッチングを行うことにより、凹部の側面と底面との境界となる角部を丸めることができる、とこの文献には記載されている。

特許文献３に開示されたＳｉＣ膜の加工方法は、ＳｉＣ膜の表面に、アモルファス構造または多結晶構造を有する材料からなるエッチングマスクを形成する工程と、エッチングマスクが形成されたＳｉＣ膜の表面にＨＢｒを含むエッチングガスを供給することにより、ＳｉＣ膜にトレンチを形成する工程とを備える。ＨＢｒを含むエッチングガスが供給されることにより、トレンチ底部のエッジにおけるサブトレンチの形成を抑制することができる、とこの文献には記載されている。

特開２０１１−９６７００号公報 特開２００４−２５３５７６号公報 特開２０１０−３９８８号公報

しかしながら、特許文献２では、角部を丸めるために、異方性エッチングから等方性エッチングに切り替える。そのため、等方性エッチング用のガスを新たに導入しなければならない。さらに、実施例では、等方性エッチングにおいてガスをプラズマにさらさない。そのため、角部が有効に丸まらない場合があり得る。特許文献３では、ＨＢｒを含むエッチングガスを供給しても、トレンチ形成中にサブトレンチが発生する場合があり得る。

本発明の目的は、サブトレンチの生成を抑制し、トレンチの底をラウンド化できる炭化珪素半導体素子の製造方法を提供することである。

本実施形態による炭化珪素半導体素子の製造方法は、処理チャンバ内の基台上に、エッチングマスクが形成された炭化珪素基板を配置する工程と、処理チャンバ内で、フッ素を含有するエッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化し、さらに、基台の表面から炭化珪素基板の裏面に向かって不活性ガスを流しながら、炭化珪素基板をエッチングしてトレンチを形成する工程と、トレンチを形成した後、次の（Ａ）〜（Ｃ）の少なくも１つを実施してトレンチの底をエッチングする工程とを備える。
（Ａ）トレンチを形成する工程よりもエッチングガスの流量を低減する。
（Ｂ）トレンチを形成する工程よりも保護膜形成ガスの流量を増大する。
（Ｃ）トレンチを形成する工程よりも不活性ガスの圧力を低減する。

本実施の形態による炭化珪素基板の製造方法は、サブトレンチの発生を抑制でき、トレンチの底をラウンド化できる。

図１は、本実施形態による炭化珪素基板のエッチング装置の模式図である。 図２は、図１中の基台近傍の模式図である。 図３は、本実施形態による炭化珪素半導体素子の製造方法におけるトレンチ底ラウンド化工程により形成されるトレンチの断面図である。 図４は、エッチング工程を説明するための模式図である。 図５は、トレンチのテーパ角（炭化珪素基板の表面に対する側壁の角度）が大きい場合のエッチング工程の一例を示す模式図である。 図６は、実施例においてトレンチが形成された炭化珪素基板の断面を示すＳＥＭ画像である。 図７は、ラウンド化の定義を説明するための模式図である。

本実施形態による炭化珪素半導体素子の製造方法は、処理チャンバ内の基台上に、エッチングマスクが形成された炭化珪素基板を配置する工程と、処理チャンバ内で、フッ素を含有するエッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化し、さらに、基台の表面から炭化珪素基板の裏面に向かって不活性ガスを流しながら、炭化珪素基板をエッチングしてトレンチを形成する工程と、トレンチを形成した後、次の（Ａ）〜（Ｃ）の少なくも１つを実施してトレンチの底をエッチングする工程とを備える。
（Ａ）トレンチを形成する工程よりもエッチングガスの流量を低減する。
（Ｂ）トレンチを形成する工程よりも保護膜形成ガスの流量を増大する。
（Ｃ）トレンチを形成する工程よりも不活性ガスの圧力を低減する。

本実施形態による炭化珪素半導体素子の製造方法では、トレンチを形成した後、エッチング条件を変更してトレンチの底をさらにエッチングする。以下、トレンチ底をエッチングする工程を「トレンチ底ラウンド化工程」という。

ラウンド化工程では、上記（Ａ）〜（Ｃ）の少なくとも１つを実施してエッチングを実施する。上記（Ａ）を実施する場合、エッチングガスによるエッチング能力が低下する。その結果、トレンチ底の周縁が削られにくくなる。そのため、トレンチ底の中央部の方が周縁部よりもエッチングされやすくなり、トレンチ底がラウンド化されやすくなる。そのため、サブトレンチの発生が抑制される。

上記（Ｂ）を実施した場合、トレンチ底ラウンド化工程において、トレンチの側壁に厚い保護膜が形成される。この保護膜により、エッチングガスのプラズマ化により形成されるイオンが、トレンチ底部の周縁部に当たりにくくなる。その結果、トレンチ底がラウンド化されやすくなり、サブトレンチの発生が抑制される。

上記（Ｃ）を実施した場合、トレンチ底ラウンド化工程において、炭化珪素基板の温度が低下しにくくなる。この場合、トレンチ底部が等方エッチングされやすくなる。その結果、トレンチ底部がラウンド化されやすく、サブトレンチの発生が抑制される。

好ましくは、保護膜形成ガスは、酸素ガスと、珪素含有ガスとを含有する。（Ｂ）を実施する場合、酸素ガス及び珪素含有ガスの少なくとも１種の流量を低減する。

この場合、酸素ガス及び珪素含有ガスの少なくとも１種の流量を低減すれば、トレンチ底ラウンド化工程においてトレンチの側壁に形成される保護膜が厚くなる。そのため、トレンチ底がラウンド化されやすく、サブトレンチの発生が抑制される。

好ましくは、トレンチを形成する工程では、第１の電力を基台に印加して、炭化珪素基板をエッチングする初期エッチング工程と、初期エッチング工程の後、第１の電力よりも低い第２の電力を基台に印加して、炭化珪素基板をエッチングする後期エッチング工程とを備える。

この場合、エッチングマスクがイオンの衝突により過剰に消耗するのを抑制できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［エッチング装置］
図１は、本実施形態の炭化珪素半導体素子の製造方法に利用されるエッチング装置の模式図である。

図１を参照して、エッチング装置１は、処理チャンバ１１と、基台１５と、昇降シリンダ１８と、ガス供給装置２０と、プラズマ生成装置３０と、高周波電源３５と、排気装置４０と、基板冷却装置５０とを備える。

処理チャンバ１１は、閉塞空間を有する。処理チャンバ１１は、上チャンバ１２と、下チャンバ１３とを備える。上チャンバ１２は、下チャンバ１３の上に配置され、下チャンバ１３とつながっている。

基台１５は、下チャンバ１３内に配置される。基台１５には、炭化珪素基板Ｋが載置される。基台１５は、静電チャック１６と、基台本体１７とを備える。静電チャック１６は、基台本体１７上に配置される。静電チャック１６の上面には、炭化珪素基板Ｋが配置される。静電チャック１６は、炭化珪素基板Ｋの裏面を、電気的に吸着する。つまり、静電チャック１６は、炭化珪素基板Ｋを基台１５に固定する。

基台本体１７は、昇降シリンダ１８と接続される。昇降シリンダ１８は基台１５を昇降する。

ガス供給装置２０は、エッチングガス及び保護膜形成ガスを処理チャンバ１１内に供給する。ガス供給装置２０は、複数のガス供給部２１〜２４と、供給管２５とを備える。ガス供給部２１は、エッチングガスを処理チャンバ１１に供給する。エッチングガスはフッ素（Ｆ）を含有する。エッチングガスはたとえば、ＳＦ₆ガスである。

ガス供給部２２及び２３は、保護膜形成ガスを処理チャンバ１１に供給する。保護膜形成ガスは、珪素（Ｓｉ）を含有する珪素含有ガスと、酸素（Ｏ₂）ガスとを含む。珪素含有ガスはたとえば、ＳｉＦ₄、ＳｉＣｌ₄等である。図１では、ガス供給部２２はＳｉＦ₄ガスを収納し、ガス供給部２３は、Ｏ₂ガスを収納する。

ガス供給部２４は、不活性ガスを処理チャンバ１１に供給する。不活性ガスはたとえば、Ａｒガスである。

供給管２５は、ガス供給部２１〜２４と、処理チャンバ１１とをつなげる。図１では、供給管２５は、上チャンバ１２とつながっている。供給管２５は、各ガス（エッチングガス、保護膜形成ガス、及び、不活性ガス）をガス供給部２１〜２４から処理チャンバ１１（上チャンバ１２）に送り出す。

プラズマ生成装置３０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成する。プラズマ生成装置３０は、コイル３１と、高周波電源３２とを備える。プラズマ生成装置３０の上チャンバ１２内では、各供給ガス（エッチングガス、保護膜形成ガス、不活性ガス）が混合されて混合ガスを形成する。プラズマ生成装置３０は、コイル３１に高周波電力を供給して、混合ガスをプラズマ化する。

高周波電源３５は、基台１５と接続される。高周波電源３５は、基台１５に高周波電力を供給して、基台１５とプラズマとの間にバイアス電位を与える。このバイアス電位により、混合ガスのプラズマ化により生成されたイオンが、基台１５上の炭化珪素基板Ｋに入射する。

排気装置４０は、真空ポンプ４１と、排気管４２とを備える。排気管４２は、下チャンバ１３と真空ポンプ４１とをつなぐ。排気装置４０は、処理チャンバ１１内の気体を排気して、処理チャンバ１１内を所定の圧力に調整する。

基板冷却装置５０は、供給管５１と、ガス供給部５２とを備える。ガス供給部５２は、不活性ガスを収納する。図１では、ガス供給部５２は、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを含有する。ガス供給部５２は、Ｈｅガス以外の他の不活性ガスを含有してもよい。

供給管５１は、ガス供給部５２と静電チャック１６の表面とをつなぐ。ガス供給部５２内の不活性ガス（Ｈｅガス）は、供給管５１を介して静電チャック１６の表面に到達し、外部に流れる。より具体的には、図２を参照して、Ｈｅガスは、炭化珪素基板Ｋの裏面と静電チャック１６の表面との間に流れる。Ｈｅガスはエッチング中の炭化珪素基板Ｋを冷却する。

［炭化珪素半導体素子の製造方法］
本実施形態の炭化珪素半導体素子の製造方法は、上述のエッチング装置１を用いて実施される。本製造方法は、マスク形成工程（Ｓ１）と、トレンチ形成工程（Ｓ２）と、トレンチ底ラウンド化工程（Ｓ３）とを備える。本実施形態の製造方法では、トレンチ形成工程（Ｓ２）によりトレンチを形成する。その後、図３に示すとおり、トレンチ底ラウンド化工程（Ｓ３）により、トレンチＴの底ＴＢ（トレンチ底）の中央部を周縁部よりも深く削る。つまり、トレンチ底ＴＢをラウンド化する。トレンチ底ラウンド化工程により、トレンチ底ＴＢの周縁部にサブトレンチが発生するのを抑制する。以下、各工程について詳述する。

［マスク形成工程（Ｓ１）］
初めに、炭化珪素基板Ｋ上にエッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、周知の方法で形成される。エッチングマスクの形成方法はたとえば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）や、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）等の蒸着法である。エッチングマスクを形成した後、エッチングマスクに開口を形成する。

エッチングマスクの素材は特に限定されない。エッチングマスクはニッケル（Ｎｉ）を含有してもよいし、他の金属を含有したメタルマスクでもよい。エッチングマスクはさらに、二酸化珪素からなるものでもよい。

［トレンチ形成工程（Ｓ２）］
トレンチ形成工程（Ｓ２）は、予熱工程（Ｓ２１）と、初期エッチング工程（Ｓ２２）と、後期エッチング工程（Ｓ２３）とを含む。

［予熱工程（Ｓ２１）］
予熱工程（Ｓ２１）では、初めに、開口を有するエッチングマスクが形成された炭化珪素基板Ｋを基台１５上に載置する。炭化珪素基板Ｋは、静電チャック１６により基台１５に固定される。

基台１５上に配置された炭化珪素基板Ｋを所望のエッチング処理温度まで加熱する。具体的には、ガス供給部２４から処理チャンバ１１内に不活性ガスを供給しながら、コイル３１及び基台１５に高周波電力を供給する。このとき、コイル３１の誘導電界により、処理チャンバ１１内の不活性ガスはプラズマ化してイオンが生成される。基台１５に印加された高周波電力により生じたバイアス電位により、イオンが炭化珪素基板Ｋに入射する。炭化珪素基板Ｋに入射するイオンの衝突エネルギが熱となり、炭化珪素基板Ｋの温度が上昇する。高周波電力及び不活性ガスの流量を調整して、炭化珪素基板Ｋの温度をエッチング処理温度に維持する。好ましいエッチング処理温度は１００〜４００℃である。エッチングマスクが二酸化珪素膜である場合、エッチングマスクの耐熱性は高い。そのため、炭化珪素基板Ｋが１００〜４００℃に加熱されても、エッチングマスクの形状精度は低下しにくい。

［初期エッチング工程（Ｓ２２）］
予熱工程の後、初期エッチング工程を実施する。各ガス供給部２１〜２３から、エッチングガス（ＳＦ₆ガス）及び保護膜形成ガス（ＳｉＦ₄ガス及びＯ₂ガス）を処理チャンバ１１内に供給する。さらに、コイル３１及び基台１５に高周波電力を印加する。コイル３１への高周波電力の印加により、各ガスがプラズマ化される。

基台１５に生じたバイアス電位により、プラズマ化されたエッチングガスがエッチングマスクの開口を通って炭化珪素基板Ｋに入射する。これにより、炭化珪素基板Ｋがエッチングされる。なお、バイアス電位を印加しなくても、炭化珪素基板Ｋは多少はエッチングされる。

具体的には、図４を参照して、エッチングガスを含む混合ガスのプラズマ化により、イオン（フッ素イオン）及びエッチング種（フッ素ラジカル）が生成される。基台１５への高周波電力の印加により、イオン及びエッチング種が、炭化珪素基板Ｋ上のエッチングマスクＭの開口部から炭化珪素基板Ｋ内に入射し、トレンチＴが形成される。

さらに、エッチング中に、保護膜形成ガスもプラズマ化される。これにより、トレンチＴの側壁に保護膜Ｈが形成される。具体的には、酸素ガスがプラズマ化して酸素イオンが生成される。さらに、珪素含有ガス（ＳｉＦ₄）を含む混合ガスがプラズマ化して、保護膜形成種（Ｓｉ）が形成される。酸素イオンが、ＳｉＦ₄及び保護膜形成種と反応してＳｉ酸化物（ＳｉＯ₂）からなる保護膜Ｈを、トレンチＴの側壁に形成する。図４に示すとおり、保護膜Ｈは、トレンチＴの側壁に付着する。トレンチＴの側壁はエッチングされにくく、トレンチ底ＴＢがエッチングされる。その結果、炭化珪素基板Ｋが異方エッチングされる。

フッ素イオンによるスパッタリングにより、側壁の保護膜Ｈもエッチングされる。しかしながら、酸素イオン、ＳｉＦ₄及び保護膜形成種の供給は継続されるため、保護膜Ｈの形成も継続する。つまり、保護膜Ｈの形成とエッチングとが並行して進行する。そのため、サイドエッチングの進行を防ぎつつ、トレンチを形成することができる。

初期エッチング工程では、後述の後期エッチング工程によりも、基台１５に印加する電力を高くする。この場合、イオンの衝突エネルギが後期エッチング工程の場合よりも大きくなる。そのため、炭化珪素基板Ｋの温度を高く維持しやすい。その結果、エッチング初期のエッチングレートを高めることができる。基台１５に印加する好ましい電力は１００〜５００Ｗである。初期エッチング工程における炭化珪素基板Ｋの温度は１００〜４００℃である。

［後期エッチング工程（Ｓ２３）］
上述のとおり、初期エッチング工程では、基台１５に印加する電力を高くする。そのため、長時間エッチングを行えば、スパッタリングにより、炭化珪素基板ＫだけでなくエッチングマスクＭも削られる。エッチングマスクＭが削られれば、炭化珪素基板Ｋに所望のパターンが形成されにくい。さらに、トレンチＴの開口近傍部分の側壁に縦筋の疵（ストライエーション）が発生する場合がある。

そこで、後期エッチング工程では、初期エッチング工程と比較して、基台１５に印加する電力を下げる。この場合、炭化珪素基板Ｋの温度が低下する。そのため、エッチングレートは初期エッチング工程のときよりも下がる。しかしながら、過度のスパッタリングの発生が抑制され、エッチングマスクＭの消耗も抑制される。後期エッチング工程において基台１５に印加する好ましい電力は１００〜５００Ｗである。

上述の説明では、予熱工程（Ｓ２１）を実施する。しかしながら、予熱工程（Ｓ２１）は実施されなくてもよい。また、上述の説明では、初期エッチング工程において基台１５に印加する電力を、後期エッチング工程のときよりも高くする。しかしながら、初期エッチング工程及び後期エッチング工程の電力を同じとしてもよい。

［トレンチ底ラウンド化工程］
トレンチＴのテーパ角ＴＡ（トレンチＴの側壁の、炭化珪素基板Ｋの表面に対する角度）がほぼ直角である場合、たとえば、テーパ角ＴＡが８７°以上である場合、図５に示すとおり、後期エッチング工程後のトレンチ底ＴＢに、サブトレンチＳＴが発生する場合がある。

サブトレンチＳＴは、図５に示すとおり、トレンチ底ＴＢの周縁部に形成されるくぼみ又は溝である。サブトレンチＳＴは、次の理由で発生すると考えられる。

トレンチＴのテーパ角ＴＡが高い場合、図５に示すとおり、トレンチＴの開口近傍の側壁に保護膜Ｈが形成されにくい。そのため、テーパ角ＴＡが低い場合と比較して、側壁に形成される保護膜は薄い。この場合、図５に示すとおり、フッ素イオンはトレンチ底ＴＢの中央部だけでなく、周縁部にも到達しやすい。

トレンチ形成工程では、フッ素イオンによるエッチングと保護膜Ｈの形成とが、並行して行われる。保護膜Ｈは、トレンチＴの側壁だけでなく、トレンチ底ＴＢにも若干形成される。トレンチ底ＴＢに形成される保護膜Ｈは、トレンチ底ＴＢの中央部で厚く、周縁部で薄い。トレンチ底ＴＢの側壁に形成された保護膜Ｈが、トレンチ底ＴＢの周縁部の保護膜Ｈの形成を抑制していると考えられる。

上述のとおり、トレンチ底ＴＢの保護膜Ｈは、中央部よりも周縁部で薄いため、トレンチ底ＴＢの周縁部は、中央部よりも削られやすい。その結果、サブトレンチＳＴが形成されると考えられる。

そこで、トレンチ底ラウンド化工程では、次の（Ａ）〜（Ｃ）の少なくとも１つを実施して、トレンチ底ＴＢをラウンド化する。
（Ａ）トレンチ形成工程よりもエッチングガスの流量を低減する。
（Ｂ）トレンチ形成工程よりも保護膜形成ガスの流量を増大する。
（Ｃ）トレンチ形成工程よりも、炭化珪素基板Ｋを冷却するための不活性ガスの圧力を低減する。
以下、（Ａ）〜（Ｃ）について説明する。

［（Ａ）について］
トレンチ形成工程よりも、エッチングガス（ＳＦ₆）の流量を低減する。具体的には、ガス供給部２１から流れるエッチングガス（ＳＦ₆）の流量を、図示しないバルブ等により、トレンチ形成工程時の流量よりも低減する。

この場合、トレンチ形成工程時よりもエッチングガスによるエッチング能力が低下する。そのため、図３に示すとおり、トレンチＴの側壁に形成される保護膜Ｈがトレンチ形成工程時よりも厚くなる。その結果、トレンチ底ＴＢの周縁部に入射するはずのイオンは、保護膜Ｈに阻止される。そのため、フッ素イオンはトレンチ底ＴＢの中央部に集中して入射し、トレンチ底ＴＢをラウンド化する。後期エッチング工程でのエッチングガスの流量をＦ１（ｓｃｃｍ）、トレンチ底ラウンド化工程でのエッチングガスの流量をＦ２（ｓｃｃｍ）と仮定する。このとき、好ましいＦ２／Ｆ１は０．４５〜０．８５である。Ｆ２の好ましい下限値は５ｓｃｃｍである。

［（Ｂ）について］
トレンチ形成工程よりも保護膜形成ガスの流量を増大する。具体的には、保護膜形成ガスのうち、ガス供給部２２及び２３から流れる珪素含有ガス及び／又は酸素ガスの流量を、図示しないバルブ等により、トレンチ形成工程時の流量よりも増大する。

この場合、上記（Ａ）と同様に、トレンチＴの側壁に形成される保護膜Ｈがトレンチ形成工程時よりも厚くなる。図３に示すとおり、トレンチ底ＴＢの周縁部に向かって進むフッ素イオンは、トレンチＴの側壁に形成された保護膜Ｈに阻止され、周縁部に到達しにくくなる。その結果、トレンチ底ＴＢがラウンド化する。後期エッチング工程での珪素含有ガスの流量をＦ３（ｓｃｃｍ）、トレンチ底ラウンド化工程での珪素含有ガスの流量をＦ４（ｓｃｃｍ）と仮定する。このとき、好ましいＦ４／Ｆ３は１．１０〜１．３５である。Ｆ４の好ましい上限値は４０ｓｃｃｍである。

後期エッチング工程での酸素ガスの流量をＦ５（ｓｃｃｍ）、トレンチ底ラウンド化工程での酸素ガスの流量をＦ６（ｓｃｃｍ）と仮定する。このとき、好ましいＦ６／Ｆ５は１〜１．３９である。Ｆ６の好ましい上限値は３０ｓｃｃｍである。

［（Ｃ）について］
トレンチ形成工程よりも、炭化珪素基板Ｋの裏面に流す冷却用の不活性ガスの圧力を低減する。この場合、炭化珪素基板Ｋの温度が下降しにくくなる。

炭化珪素基板Ｋの温度が下降しにくくなれば、炭化珪素基板Ｋ中の珪素と炭素との結合が切れやすくなる。この場合、フッ素イオン及びラジカル種と、炭化珪素基板Ｋ中の珪素とが反応しやすくなる。その結果、トレンチ底ＴＢが等方的にエッチングされやすくなり、サブトレンチＳＴが生成されにくくなる。

上記（Ｃ）は、炭化珪素基板Ｋの面積が大きいほど、効果が大きいと考えられる。炭化珪素基板Ｋの面積が大きいほど、温度が低下しにくくなるからである。後期エッチング工程での冷却用の不活性ガスの圧力をＰ１（Ｐａ）、トレンチ底ラウンド化工程での冷却用不活性ガスの圧力をＰ２（Ｐａ）と仮定する。このとき、好ましいＰ２／Ｐ１は０〜１．８７である。好ましい圧力Ｐ２は０〜１５００Ｐａである。圧力Ｐ２のさらに好ましい下限は６００Ｐａであり、さらに好ましい上限は７００Ｐａである。

トレンチ底ラウンド化工程では、上記（Ａ）〜（Ｃ）の少なくとも１つ以上を実施する。したがって、（Ａ）〜（Ｃ）のいずれか１つのみを実施してもよいし、（Ａ）〜（Ｃ）の２つ以上を実施してもよい。

トレンチ底ラウンド化工程を実施して、トレンチ底におけるサブトレンチの発生状況を調査した。

［試験方法］
所定の複数の開口を有するエッチングマスクが形成された６インチの炭化珪素基板を複数準備した。エッチングマスクの各開口部の形状はいずれも同じとした。この炭化珪素基板を用いて、次の比較例１、本発明例１〜本発明例４を実施した。

［比較例１］
図１に示すエッチング装置を準備した。基台上に６インチの炭化珪素基板を配置した。その後、次の条件により、トレンチ形成工程（初期エッチング工程及び後期エッチング工程）を実施した。

具体的には、初めに、初期エッチング工程を実施した。初期エッチング工程では、ＳＦ₆ガスを１１ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガスを１８ｓｃｃｍ、ＳｉＦ₄ガスを３０ｓｃｃｍ、Ａｒガスを５０ｓｃｃｍ流した。コイルの電力を１７５０Ｗとし、基台電力（Ｐｌａｔｅｎ電力）を７００Ｗとした。炭化珪素基板の冷却用のヘリウムガスの圧力を８００Ｐａとした。上述の条件で３分間エッチングを実施した。

次に、後期エッチング工程を実施した。後期エッチング工程では、基台電力を４００Ｗとした。その他の条件は、初期エッチング工程と同じにした。後期エッチング工程を４分間実施した。なお、予熱工程は実施しなかった。以上の工程により、炭化珪素基板を製造した。

［本発明例１］
比較例１と同様に、炭化珪素基板を基台上に配置し、トレンチ形成工程を実施した。本発明例１では、後期エッチング工程を３分間実施した。その他のエッチング条件は、比較例１と同じとした。

本発明例１ではさらに、トレンチ底ラウンド化工程を実施した。具体的には、後期エッチング工程と比較して、ＳＦ₆ガスの流量を低減し、９ｓｃｃｍとした。トレンチ底ラウンド化工程の実施時間は１分とした。トレンチ底ラウンド化工程のその他の条件は、後期エッチング工程と同じとした。

［本発明例２］
比較例１と同様に、炭化珪素基板を基台上に配置し、トレンチ形成工程を実施した。トレンチ形成工程（初期エッチング工程及び後期エッチング工程）の条件は、本発明例１と同じにした。

本発明例２ではさらに、トレンチ底ラウンド化工程を１分間実施した。具体的には、後期エッチング工程と比較して、Ｏ₂ガスの流量を増加し、２０ｓｃｃｍとした。トレンチ底ラウンド化工程のその他の条件は、後期エッチング工程と同じとした。

［本発明例３］
比較例１と同様に、炭化珪素基板を基台上に配置し、トレンチ形成工程を実施した。トレンチ形成工程（初期エッチング工程及び後期エッチング工程）の条件は、本発明例１と同じにした。

本発明例３ではさらに、トレンチ底ラウンド化工程を１分間実施した。具体的には、後期エッチング工程と比較して、ＳｉＦ₄ガスの流量を増大し、３５ｓｃｃｍとした。トレンチ底ラウンド化工程のその他の条件は、後期エッチング工程と同じとした。

［本発明例４］
比較例１と同様に、炭化珪素基板を基台上に配置し、トレンチ形成工程を実施した。トレンチ形成工程（初期エッチング工程及び後期エッチング工程）の条件は、本発明例１と同じにした。

本発明例４ではさらに、トレンチ底ラウンド化工程を１分間実施した。具体的には、後期エッチング工程と比較して、Ｈｅガスの圧力を低減し、６５０Ｐａとした。トレンチ底ラウンド化工程のその他の条件は、後期エッチング工程と同じとした。

さらに、所定の開口を有するエッチングマスクが形成された３インチの炭化珪素基板を複数準備した。エッチングマスクの各開口部の形状はいずれも、６インチの炭化珪素基板の場合と同じとした。この炭化珪素基板を用いて、次の比較例２、本発明例５及び本発明例６を実施した。

［比較例２］
図１に示すエッチング装置を準備した。基台上に３インチの炭化珪素基板を配置した。その後、次の条件により、トレンチ形成工程を実施した。トレンチ形成工程（初期及び後期エッチング工程）の条件は、比較例１と同じとした。以上の工程により、炭化珪素基板を製造した。なお、本例においても予熱工程を実施しなかった。

［本発明例５］
比較例２と同様に、炭化珪素基板を基台上に配置し、トレンチ形成工程を実施した。本発明例５では、後期エッチング工程を３分間実施した。

本発明例５ではさらに、トレンチ底ラウンド化工程を実施した。具体的には、後期エッチング工程と比較して、Ｏ₂ガスの流量を増加し、２０ｓｃｃｍとした。トレンチ底ラウンド化工程の実施時間は１分とした。トレンチ底ラウンド化工程のその他の条件は、後期エッチング工程と同じとした。

［本発明例６］
比較例２と同様に、炭化珪素基板を基台上に配置し、トレンチ形成工程を実施した。本発明例５では、後期エッチング工程を３分間実施した。

本発明例６ではさらに、トレンチ底ラウンド化工程を１分間実施した。具体的には、後期エッチング工程と比較して、Ｈｅガスの圧力を低減し、６５０Ｐａとした。トレンチ底ラウンド化工程のその他の条件は、後期エッチング工程と同じとした。

［評価方法］
本発明例１〜６、比較例１及び比較例２の各々の炭化珪素基板で形成された４つのトレンチを選択した。そして、トレンチ底部のラウンド度を測定した。

ラウンド度は次の方法で測定した。トレンチの配列方向に沿って炭化珪素基板を切断した。切断された炭化珪素基板のＳＥＭ画像の一例を図６に示す。

切断面の４つのトレンチの各々に対して、ラウンド度を測定した。具体的には、図７を参照して、炭化珪素基板の断面において、トレンチの側壁の下端同士を線分ＳＬで結んだ。そして、トレンチ底ＴＢのうち、線分ＳＬとの距離の最大値ＭＬを測定した。トレンチ底ＴＢが線分ＳＬよりも下方である場合、最大値ＭＬをプラス（＋）とした。一方、トレンチ底ＴＢが線分ＳＬよりも上方である場合、最大値ＭＬをマイナス（−）とした。

測定された４つの最大値ＭＬの平均を、対応する例（比較例、本発明例）のラウンド度（μｍ）と定義した。

［試験結果］
表１に測定結果を示す。

表１を参照して、本発明例１〜４では、比較例１と比較して、ラウンド度がいずれも大きくなった。つまり、本発明例１〜４では、トレンチ底ラウンド化工程が実施されたため、比較例１と比較して、トレンチ底がラウンド化され、サブトレンチの発生が抑制された。

同様に、本発明例５及び６では、トレンチ底ラウンド化工程が実施されたため、比較例２と比較して、トレンチ底がラウンド化され、サブトレンチの発生が抑制された。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１ エッチング装置
１５ 基台
２１〜２４，５２ ガス供給部
５０ 基台冷却装置
Ｈ 保護膜
Ｋ 炭化珪素基板
Ｍ エッチングマスク
Ｔ トレンチ
ＳＴ サブトレンチ
ＴＢ トレンチ底

Claims (3)

1. 処理チャンバ内の基台上に、エッチングマスクが形成された炭化珪素基板を配置する工程と、
   前記処理チャンバ内で、フッ素を含有するエッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化し、さらに、前記基台の表面から前記炭化珪素基板の裏面に向かって不活性ガスを流しながら、前記炭化珪素基板をエッチングしてトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
   前記トレンチ形成工程により前記トレンチを形成した後、次の（Ａ）〜（Ｃ）の少なくとも１つを実施して前記トレンチの底をエッチングするトレンチ底ラウンド化工程とを備え、
   前記トレンチ底ラウンド化工程では、前記トレンチの底の中央部を前記底の周縁部よりも深く削って前記トレンチを完成させる、炭化珪素半導体素子の製造方法。
   （Ａ）前記トレンチを形成する工程よりも前記エッチングガスの流量を低減する。
   （Ｂ）前記トレンチを形成する工程よりも前記保護膜形成ガスの流量を増大する。
   （Ｃ）前記トレンチを形成する工程よりも前記不活性ガスの圧力を低減する。
2. 請求項１に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法であって、
   前記保護膜形成ガスは、酸素ガスと、珪素含有ガスとを含有し、
   前記（Ｂ）を実施する場合、前記酸素ガス及び前記珪素含有ガスの少なくとも１種の流量を増大する、炭化珪素半導体素子の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法であって、
   前記トレンチを形成する工程では、
   第１の電力を前記基台に印加して、前記炭化珪素基板をエッチングする初期エッチング工程と、
   初期エッチング工程の後、第１の電力よりも低い第２の電力を前記基台に印加して、前記炭化珪素基板をエッチングする後期エッチング工程とを備える、炭化珪素半導体素子の製造方法。