JP6703666B2 - 炭化珪素基体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空構造を有する炭化珪素基体の製造方法に関する。

従来、シリコン（Ｓｉ）の半導体基板（以下、シリコン基板と称する。）の内部に空洞を有するＳＯＮ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｎｏｔｈｉｎｇ）構造を備えた半導体基体が公知である（例えば、以下特許文献１，２や以下非特許文献１参照。）。

図１５は、従来技術によるＳＯＮ構造を有するシリコン基板例を示す断面図である。図１５に示すシリコン基板の内部には、空洞が形成されている。シリコン基板によるＳＯＮ構造を備えた半導体基体の製造方法としては、例えば、シリコン基板にエッチングにより複数の溝を形成し、熱処理することにより、シリコン基板の表面層のシリコン原子を表面拡散させることにより、複数の溝の開口部を塞いで空洞を作成する方法が提案されている。以下特許文献１，２では、例えば、熱処理を水素（Ｈ₂）雰囲気中や非酸化性雰囲気中で行う。

また、従来、炭化珪素（ＳｉＣ）の半導体基体（以下、炭化珪素基体と称する。）の内部に空洞を形成する方法が提案されている。炭化珪素基体の内部に空洞を形成する方法としては、炭化珪素基板にエッチングにより複数の溝を形成し、複数の溝を熱処理により連結して１つの空洞にする方法が提案されている（例えば、以下特許文献３参照。）。この方法では、炭化珪素基板の表面層のシリコン原子を表面拡散させることにより、複数の溝の開口部を塞いで空洞を作成する。以下特許文献３には、炭化珪素基体に空洞を形成する際に、溝の形成ピッチや配置などを適宜変えることにより、さまざまな空洞を形成し、炭化珪素基体を用いて作成する半導体装置の構造などに応じて空洞の形状を選択可能とすることが提案されている。

特開２０１４−４９５４０号公報 特開２０１２−２４３８９８号公報 特開２００３−９５７９７号公報

佐藤力、水島一郎、綱島祥隆、「シリコンの表面マイグレーションを利用した新しい基板エンジニアリング」、電機学会論文誌Ｃ、日本、平成１３年、１２１巻、３号、ｐ．５２４−５２９

しかしながら、従来技術では、表面拡散のための熱処理の温度が最大でも１８００度程度の温度の場合、炭化珪素基体ではシリコン原子の表面拡散が起こりにくい。また、熱処理によって炭化珪素基板の表面からシリコン原子が気化して、炭化珪素基板の表面が炭化する。このため、従来技術では、シリコン原子や炭素原子の移動によって炭化珪素基体の内部に、炭化珪素基体の表面に平行な方向（横方向）に長さを有する平板状の空洞を形成させることは通常できない。

本発明は、炭化珪素基体の内部に平板状の空洞を安定して形成させることができる炭化珪素基体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するため、本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、炭化珪素基体の一方の主面側から形成した複数のトレンチ同士を連結させて空洞を形成する炭化珪素基体の製造方法であり、つぎの特徴を有する。まず、複数の前記トレンチの長手方向が、前記炭化珪素基体の結晶軸方向＜１１−２０＞から、前記炭化珪素基体に設けられたオリエンテーションフラットの形成保証精度に基づく所定角度以上ずれた方向になる複数の前記トレンチを前記炭化珪素基体の一方の主面側から形成する第１工程を行う。つぎに、エッチング効果のあるガスと炭化珪素膜の原料となるガスとを含むガス雰囲気下での熱処理によって、前記炭化珪素基体の一方の主面側に前記炭化珪素膜を成膜するとともに、複数の前記トレンチの側壁をエッチングすることにより前記空洞を形成する第２工程を行う。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、前記炭化珪素膜を成膜することにより複数の前記トレンチの各開口部を塞ぐとともに、複数の前記トレンチの側壁をエッチングすることにより複数の前記トレンチを連結させて一体化させることにより前記空洞を形成することを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、複数の前記トレンチのそれぞれの短手方向の幅が、２．５μｍ以上、５．０μｍ以下であり、隣り合う前記トレンチの間隔が、１μｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、前記エッチング効果のあるガスのガス量は、前記トレンチの側壁から前記炭化珪素基体の一方の主面に平行な方向に成膜される前記炭化珪素膜の厚さが、前記トレンチの側壁が前記平行な方向にエッチングされる長さよりも大きくなるガス量であることを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、前記エッチング効果のあるガスのガス量は、前記炭化珪素膜の厚さが、前記トレンチの側壁が前記平行な方向にエッチングされる長さよりも大きくなるガス量のうち、最も多いガス量であることを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、前記エッチング効果のあるガスは、塩化水素ガスまたは塩素ガスであることを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、前記第２工程では、化学気相成長法により、複数の前記トレンチの各開口部を塞ぎ、前記空洞を形成することを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、前記炭化珪素基体は、炭化珪素基板の一方の主面にエピタキシャル成長によって炭化珪素からなるエピタキシャル膜が露出したエピタキシャル成長基体であることを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、前記所定角度は、５度以上であることを特徴とする。

本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、上述した発明において、複数の前記トレンチの短手方向に平行な方向における前記空洞の長さは、複数の前記トレンチの数に基づくことを特徴とする。

また、本発明の目的を達成するため、本発明にかかる他の炭化珪素基体の製造方法は、炭化珪素基体の一方の主面側から形成した複数のトレンチ同士を連結させて空洞を形成する炭化珪素基体の製造方法であり、つぎの特徴を有する。まず、前記炭化珪素基体の一方の主面側から、複数の前記トレンチの側壁が前記炭化珪素基体の結晶面｛１０−１０｝以外の面になる複数の前記トレンチを形成する第１工程を行う。つぎに、エッチング効果のあるガスと炭化珪素膜の原料となるガスとを含むガス雰囲気下での熱処理によって、前記炭化珪素基体の一方の主面側に前記炭化珪素膜を成膜するとともに、複数の前記トレンチの側壁をエッチングすることにより前記空洞を形成する第２工程を行う。

本発明によれば、炭化珪素基体の内部に空洞を安定して形成させることができる。

実施の形態にかかる炭化珪素基体の製造方法によって製造される炭化珪素基体の構造を示す断面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その１）を示す説明図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その２）を示す説明図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その３）を示す説明図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その４）を示す説明図である。 本実施の形態にかかるトレンチの形成方向例を示す説明図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その５）を示す説明図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その６）を示す説明図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その７）を示す説明図である。 実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その８）を示す平面図である。 結晶軸方向［１１−２０］とトレンチ５の形成方向とのずれによるＳｉＣ膜の成長およびエッチング例を示す断面図である。 トレンチ５の幅Ｌおよびトレンチ５の間隔Ｓの違いによる空洞６の形成例を示す断面図である。 トレンチ５の形成方向が結晶軸方向［１１−２０］の場合における炭化珪素基体の断面図である。 複数の空洞６の形成例を示す説明図である。 従来技術によるＳＯＮ構造を有するシリコン基板例を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる炭化珪素（ＳｉＣ）基体の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。なお、本明細書および添付図面では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。

図１は、実施の形態にかかる炭化珪素基体の製造方法によって製造される炭化珪素基体の構造を示す断面図である。炭化珪素基体（半導体ウェハ）１０は、炭化珪素基板１の一方の主面上に炭化珪素からなるエピタキシャル膜２をエピタキシャル成長させてなるエピタキシャル成長基板である。また、炭化珪素基板１は、四層周期六方晶の炭化珪素（４ＨＳｉＣ）などの単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。

エピタキシャル膜２の内部に、炭化珪素基体１０の表面（エピタキシャル膜２の側の面または炭化珪素基板１の側の面）に平行な方向（横方向）に長さを有する空洞６が設けられる。空洞６の断面形状は略平板形状である。図１の例では、エピタキシャル膜２の内部に、空洞６が設けられるが、エピタキシャル膜２と炭化珪素基板１との境界を跨いで内部空洞６が設けられてもよい。空洞６は、減圧された水素（Ｈ₂）ガスが微量に入った状態であり、空洞６の非誘電率はほぼ１である。空洞６の横方向の長さはｘ１である。炭化珪素基板１およびエピタキシャル膜２は素子構造に応じた導電型を有する。

つぎに、図２〜１０を用いて、中空構造を有する炭化珪素基体１０の製造方法の詳細例について説明する。図２〜５，図７〜９には、炭化珪素基体１０の製造途中の状態例の断面図を示す。また、図６には、トレンチの長手方向（トレンチの形成方向とも称する。）例の平面図を示す。また、図１０には、炭化珪素基体１０の製造途中の状態例の平面図を示す。

ここで、炭化珪素基板１のおもて面または裏面に各種パターンを設ける際のマスクの基準として炭化珪素基板１の第１オリエンテーションフラット（以降、第１オリフラと略する。）が用いられる。後述する図６で示すように第１オリフラが示す結晶軸方向は、例えば［１１−２０］である。製造に用いられる炭化珪素基板１のオリフラの形成保証精度は１度以内であることが好ましい。その理由としては、後述するトレンチの形成方向を制限するための所定角度はオリフラの形成保証精度に基づいて定まるため、オリフラの形成保証精度がよいほど、この所定角度を小さくすることができるためである。

図２は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その１）を示す説明図である。まず、炭化珪素基板１を洗浄する。洗浄としては、有機洗浄やＲＣＡ洗浄が挙げられる。

つぎに、半導体基板１のおもて面（Ｓｉ面）または裏面（Ｃ面）に例えば窒素（Ｎ）を所定の濃度ドーピングしてｎ型のエピタキシャル膜２を形成する。エピタキシャル膜２の厚さｄ１やドーピングの濃度、ドーピングのキャリア、エピタキシャル膜２の導電型については、炭化珪素基体１０の利用用途に応じて適宜決定すればよく、特に限定しない。ここでは、厚さｄ１は、例えば、２５［μｍ］とする。

図３は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その２）を示す説明図である。エピタキシャル膜２の形成後、炭化珪素基体１０を洗浄する。つぎに、炭化珪素基体１０のエピタキシャル膜２の表面（炭化珪素基板１側に対して反対側の面）に二酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜３を成膜する。成膜方法としては、例えば、プラズマ化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤと略する。）等が挙げられる。ＳｉＯ₂膜３については、後の工程でトレンチを形成する際にドライエッチングパターンのマスクとして用いられる。このため、ＳｉＯ₂膜３の厚さｄ２は、ドライエッチングによってなくならない厚さである。

図４は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その３）を示す説明図である。つぎに、ＳｉＯ₂膜３を形成後に、ＳｉＯ₂膜３の表面（エピタキシャル膜２側に対して反対側の面）にフォトレジスト４を塗布する。

図５は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その４）を示す説明図である。つぎに、フォトレジスト４を塗布後、フォトマスクで露光してトレンチパターンをパターニングする。フォトマスクが有するトレンチパターンでは、トレンチの短手方向の幅Ｌ（ライン幅）が２．５［μｍ］以上、５［μｍ］以下の範囲の長さであり、トレンチの間隔Ｓが１［μｍ］以上、３［μｍ］以下の範囲の長さである。フォトレジスト４で露光してトレンチパターンをパターニングする際に、第１オリフラに基づいてマスクパターンを合わせる。ここでのトレンチの形状は、結晶軸方向に延びる直線状の平面形状とする。つぎに、トレンチの形成方向について、図６を用いて説明する。

図６は、本実施の形態にかかるトレンチの形成方向例を示す説明図である。図６には、炭化珪素基板１のおもて面（０００１）または裏面（０００−１）を上から見た例を示す。上述したように、第１オリフラが示す結晶軸方向は、［１１−２０］である。

図６には、結晶軸方向［１１−２０］の他に、結晶軸方向［１−１００］と、結晶軸方向［−１−１２０］と、結晶軸方向［−１１００］と、を示す。結晶軸方向［１１−２０］は、図６において右向きの矢印によって表される。結晶軸方向［−１−１２０］は、図６において左向きの矢印によって表される。結晶軸方向［１−１００］は、図６において下向きの矢印によって表される。結晶軸方向［−１１００］は、図６において上向きの矢印によって表される。結晶軸方向［１１−２０］は、結晶軸方向［−１−１２０］と逆向きである。また、結晶軸方向［１１−２０］は、結晶軸方向［１−１００］および結晶軸方向［−１１００］と直交する。結晶軸方向［１−１００］は、結晶軸方向［−１１００］と逆向きである。また、結晶軸方向［１−１００］は、結晶軸方向［−１−１２０］および結晶軸方向［１１−２０］と直交する。

図６において実線がトレンチ５を示す。炭化珪素基板１の四角形の領域７には、複数のトレンチ５が形成される。領域７のサイズは、ステッパーに基づいて露光可能なサイズである。領域７内に形成され所定の間隔で隣り合う複数のトレンチ５によって四角形の領域７に１つの空洞６が形成される。領域７ごとに空洞６を形成することができるため、空洞６は同時に複数形成することが可能である。空洞６が複数形成される例は図１４に示す。

また、トレンチ５の長手方向であるトレンチ５の形成方向は、結晶軸方向＜１１−２０＞から、所定角度θ以上ずらした方向である。例えば、トレンチ５の形成方向は、結晶軸方向［１１−２０］から結晶軸方向［−１１００］または結晶軸方向［１−１００］に所定角度θ以上ずらした方向である。換言すると、トレンチ５の形成方向は、結晶軸方向［１１−２０］から、結晶軸方向［−１１００］と結晶軸方向［１−１００］とにそれぞれ所定角度θ回転させた方向の範囲に含まれない方向である。

ここで、所定角度θは、炭化珪素基板１の第１オリフラの形成保証精度に基づいて定まる。例えば、第１オリフラの形成保証精度が１度以内の場合については、所定角度θを５度とする。第１オリフラの形成保証精度が５度以内の場合については、所定角度θを９度とする。本実施の形態では、第１オリフラの形成保証精度が１度以内として、所定角度θを５度として以降説明する。

また、トレンチ５の形成方向は、トレンチ５の側壁がｍ面にならないような方向であり、ｍ面から±５度以上ずらした範囲に含まれる方向である。ここで、ｍ面は、炭化珪素基体の結晶面｛１０−１０｝である。結晶面｛１０−１０｝は、（１−１００）、（０−１１０）、（−１０１０）、（−１１００）、（０１−１０）、（１０−１０）の６面である。結晶軸方向＜１１−２０＞に垂直な面が、ｍ面である。換言すると、結晶軸方向［１１−２０］に垂直な面と、結晶軸方向［１１−２０］から６０度おきにずらした線に垂直な面とが、ｍ面である。結晶軸方向［１１−２０］から６０度おきにずらした線は図６に示す第１破線である。第１破線から±５度以内の範囲は第２破線によって表される。これにより、ｍ面とトレンチ５の形成方向とのずれにより炭化珪素膜の成膜時にトレンチ５の側壁がエッチングされるとともに、炭化珪素膜がトレンチの開口部付近で斜めに成長するため、断面形状が略平板形状の空洞が得られる。

ここで、炭化珪素基板１には、ｍ面のように安定して結晶を成長させることができる結晶面もあれば、安定して結晶を成長させることができない結晶面なども存在する。丸印で囲われた領域に形成されたトレンチ５の形成方向は、ｍ面から５度以内の範囲に含まれる方向である。丸印で囲われた領域に形成されたトレンチ５の側壁は、ほぼｍ面となる。丸印で囲われた領域に形成されたトレンチ５の側壁にはＳｉＣ膜の成膜時に安定して結晶が成長するため、トレンチ５の側壁はエッチングされにくくなる。トレンチの側壁がエッチングされにくいと、トレンチ間を連結させることが難しく、空洞６を形成することが困難である。一方、トレンチ５の形成方向が、ｍ面と第２破線とによって表される範囲に含まれない方向である場合、ｍ面と第２破線とによって表される範囲に含まれる方向である場合に比べて、トレンチ５の側壁ではＳｉ原子やＣ原子が移動しやすい。このため、トレンチ５の側壁は、エッチングされやすく、トレンチ間を連結させることができ、空洞６を形成することができる。

図７は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その５）を示す説明図である。フォトレジスト４をターニング後に、フォトレジスト４をマスクとしてＳｉＯ₂膜３をドライエッチングする。ドライエッチングとしては、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などの異方性エッチングなどが挙げられる。ここでは、炭化珪素基板１またはエピタキシャル膜２が露出するまでドライエッチングする。図７の例では、エピタキシャル膜２が露出するまでドライエッチングされ、ＳｉＯ₂膜３にトレンチパターンが形成される。

図８は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その６）を示す説明図である。フォトレジスト４を剥離する。そして、マスクパターンがパターニングされたＳｉＯ₂膜３をマスクとして、エピタキシャル膜２、またはエピタキシャル膜２および炭化珪素基板１を所定の深さｄ３までドライエッチングしてトレンチ５を形成する。ここでの所定の深さｄ３は２０［μｍ］以上である。図８には、深さｄ１が２５［μｍ］のエピタキシャル膜２内に深さｄ３が２０［μｍ］のトレンチ５が形成される例を示す。また、図示省略するが、エピタキシャル膜２の深さｄ１が２５［μｍ］であり、トレンチ５の深さｄ３は２５［μｍ］以上である場合には、トレンチ５は、エピタキシャル膜２と炭化珪素基板１との境界に跨って形成される。

図９は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その７）を示す説明図である。トレンチ５を形成後に、ＳｉＯ₂膜３をフッ化水素（ＨＦ）溶液などにより剥離する。そして、ＳｉＯ₂膜３を剥離後に、炭化珪素基体１０を洗浄する。これにより、炭化珪素基板１の結晶軸［１１−２０］とトレンチ５の形成方向が±５度以上ずれ、ｍ面とトレンチ５の形成方向とが±５度以上ずれたトレンチ５が形成された炭化珪素基体１０が得られる。

図１０は、実施の形態にかかる炭化珪素基体１０の製造途中の要部の状態例（その８）を示す平面図である。ＳｉＣ成膜時の結晶の成長方向例の平面図を示す説明図である。図１０に示す切断線Ａ−Ａ’における断面図が、図９に示す断面図に対応する。結晶軸方向［−１１００］は、図１０において上方向の矢印で表される。また、結晶軸方向［１１−２０］は、図１０において右方向の矢印で表される。図１０に示すトレンチ５の形成方向は、結晶軸方向［−１１００］に平行な方向とする。

つぎに、エッチング効果のあるガスと、ＳｉＣ膜の成膜の原料であるＳｉを含むガスおよび炭素（Ｃ）を含むガスと、を含むガス雰囲気下で熱処理することにより、炭化珪素基体１０にＳｉＣ膜を成膜する。熱処理については、ハライドＣＶＤ法を用いる。

例えば、炭化珪素基体１０の洗浄後に、ＳｉＣ膜を成長することが可能なＣＶＤ装置に炭化珪素基体１０を入れる。そして、エッチング効果のあるガスと、ＳｉＣ膜の成膜の原料であるＳｉを含むガスおよびＣを含むガスと、を同時に導入してＣＶＤ装置によって所定の成膜条件で成膜する。

エッチング効果のあるガスとしては、塩化水素（ＨＣｌ）ガスや塩素（Ｃｌ₂）ガスが挙げられる。Ｓｉを含むガスとしては、例えば、モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスが挙げられる。Ｃを含むガスとしては、例えば、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスが挙げられる。成膜条件は、例えば、ＳｉＣの堆積量＞ＳｉＣのエッチング量が成立するような条件である。ＳｉＣの堆積量とは、単位時間あたりに、トレンチ５の側壁から当該側壁に垂直な方向（横方向）に成膜されるＳｉＣ膜の横方向の厚さである。ＳｉＣのエッチング量とは、単位時間あたりに、トレンチ５の側壁がエッチングされる横方向の長さである。

また、エッチング効果のあるガスのガス量が少ないと、炭化珪素基体１０の表面（エピタキシャル膜２の側の面）に堆積されるＳｉＣ膜の膜厚が厚くなると同時に、トレンチ５の側壁のエッチング量が少なくなり、各トレンチ５で形成されるボイド同士が繋がりにくくなる。そこで、エッチング効果のあるガスのガス量は、ＳｉＣの堆積量がＳｉＣのエッチング量より若干多くなるようなガス量のうち最大量とする。これにより、トレンチ５の開口部を塞ぐことができ、かつトレンチ５に発生するボイド同士を繋げることができる。

また、ＳｉＣ膜の成膜の原料となるガスおよびエッチング効果のあるガスの他に、さらに、ドーパントとなるガスを同時に導入してもよい。ｎ型ＳｉＣ膜を成膜する場合、ドーパントとなるガスとしては、例えば、窒素（Ｎ₂）ガスが挙げられる。ｐ型ＳｉＣ膜を成膜する場合、ドーパントとなるガスとしては、例えば、トリメチルアルミニウム（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｎｉｕｍ：ＴＭＡ）ガスが挙げられる。

ここでは、ＳｉＣ膜を成膜するために、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）ガスと、ＳｉＣ膜の成膜の原料となるガスとしてＳｉＨ₄ガスおよびＣ₃Ｈ₈ガスと、エッチング効果のあるガスとしてＨＣｌガスと、ドーパントとなるガスとしてＴＭＡと、を導入する。ＣＶＤによる熱処理の温度は１６３５度以上、１６６５度以内の範囲の温度が好ましい。また、ＣＶＤによる熱処理の時間は、５時間以上７時間以内の範囲の時間が好ましい。ＣＶＤによる熱処理の時間によって空洞６を塞ぐＳｉＣ膜の厚さを調整することができる。

ここで、ＣＶＤによる熱処理の温度を１６５０度とし、ＣＶＤ装置によって６時間、炭化珪素基体１０にＳｉＣ膜を成長させる。ＳｉＨ₄ガスの流量は、例えば、３６ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）である。Ｃ₃Ｈ₈ガスの流量は、例えば、１２ｓｃｃｍである。ＨＣｌガスの流量は、例えば、６ｓｃｃｍである。

図１１は、結晶軸方向［１１−２０］とトレンチ５の形成方向とのずれによるＳｉＣ膜の成長およびエッチング例を示す断面図である。各断面図の上に付された角度は、結晶軸方向［１１−２０］とトレンチ５の形成方向とのずれ量であり、結晶軸方向［１１−２０］とトレンチ５の形成方向とのなす角度である。図１１の例では、トレンチ５の形成方向が異なるだけで、形成方向以外の条件はすべて同じにして作成された炭化珪素基体１０の断面図である。

図１１に示すように、角度が大きくなるほど、トレンチ５の側壁がエッチング効果のあるガスによって抉られる量が大きくなる。トレンチ５の側壁がエッチングされると、トレンチ５ごとに微細な空洞（小空洞やボイドとも称する。）が発生する。図１１に示すように、角度が２．５度の場合においてボイド間が繋がる寸前である。このため、角度がさらに大きくなると、トレンチ５の側壁が抉られる量がさらに大きくなる。そして、ボイド間が繋がりやすくなり、炭化珪素基体１０の内部に空洞６が形成される。

また、図１１に示す０度、０．５度、１．０度の場合において、ＣＶＤによるＳｉＣ膜の成膜時間を長くしても、トレンチの開口部が塞がるだけで、ボイド間が繋がらない。このため、結晶軸方向［１１−２０］とトレンチ５の形成方向とのずれ、ｍ面とトレンチ５の形成方向とのずれが小さいと、炭化珪素基体１０の内部に空洞６を形成することは難しい。

図１２は、トレンチ５の幅Ｌおよびトレンチ５の間隔Ｓの違いによる空洞６の形成例を示す断面図である。図１２には、トレンチ５の形成方向を結晶軸方向［１−１００］にほぼ平行にし、トレンチ５の幅Ｌ／間隔Ｓをそれぞれ２．５／２．５、５／２．５、７．５／２．５にしてトレンチ５を形成してＳｉＣ膜を成膜した場合における断面図を示す。

幅Ｌ／間隔Ｓ＝２．５／２．５、５／２．５の場合には、炭化珪素基体１０の内部に空洞６が形成される。これに対して、幅Ｌ／間隔Ｓ＝７．５／２．５の場合には、炭化珪素基体１０の各トレンチ５に発生したボイド間が繋がらず、炭化珪素基体１０の内部に空洞６が形成されない。したがって、トレンチ５の幅Ｌ（ライン幅）を２．５［μｍ］以上、５［μｍ］以下の範囲の長さとし、トレンチ５の間隔Ｓを１［μｍ］以上、３［μｍ］以下の範囲の長さとすることにより、トレンチ５ごとに発生するボイド間が繋がりやすくなり、炭化珪素基体１０の内部に断面形状が略平板形状の空洞６が得られる。

図１２の例では、炭化珪素基体１０の深さ方向（縦方向）における空洞６の高さは約８μｍであり、炭化珪素基体１０の横方向における空洞６の幅ｘ１（図１参照）は約９０［μｍ］以上、１００［μｍ］以下の範囲の長さ程度である。トレンチ５の本数やトレンチ５の深さ方向の長さを調整することによって任意の幅や高さの空洞６を形成することができる。また、図１２の例では、空洞６の上を塞ぐＳｉＣ膜の厚さは、２０［μｍ］以上、３０［μｍ］以下の範囲の厚さ程度である。ＣＶＤによる熱処理の時間を調整することによってＳｉＣ膜を任意の厚さで形成することができる。

図１３は、トレンチ５の形成方向が結晶軸方向［１１−２０］の場合における炭化珪素基体の断面図である。図１３には、トレンチ５の形成方向が結晶軸方向［１１−２０］に平行であり、トレンチ５の幅Ｌ／間隔Ｓが２．５／２．５と５／２．５であるトレンチ５を形成し、熱処理を行った例を示す。図１２の例では、トレンチ５の幅Ｌ／間隔Ｓが２．５／２．５、５／２．５である場合に炭化珪素基体１０に空洞６が形成された。これに対して、図１３に示すように、トレンチ５の形成方向が結晶軸方向［１１−２０］であると、トレンチ５の幅Ｌ／間隔Ｓが２．５／２．５、５／２．５であっても空洞６が形成されない。

また、点線の矢印の部分はトレンチ５が形成された部分であり、トレンチ５が形成された部分はＳｉＣ膜によって埋まる。実線の矢印部分は、隣り合うトレンチ５の間の部分であり、ＳｉＣ膜を成膜する前から炭化珪素基体１０があった部分である。

図１４は、複数の空洞６の形成例を示す説明図である。図１４（ａ）には、領域７ごとに複数のトレンチ５が、結晶軸方向［１−１００］に平行な方向に形成された平面図を示す。また、図１４（ａ）に示す切断線ＡＡ−ＡＡ’における断面図が、図１４（ｂ）に示す断面図である。図１４（ｂ）には、領域ごとに複数のトレンチ５が形成された炭化珪素基体１０の断面図を示す。また、図１４（ｃ）には、ＣＶＤによって領域ごとに空洞６が形成された炭化珪素基体１０の断面図を示す。

例えば、トレンチ５の短手方向に平行な空洞６の横方向の長さｘ１は、領域７に形成するトレンチ５の数によって適宜変更することができる。また、例えば、トレンチ５の長手方向に平行な空洞６の方向の長さは、トレンチ５の長手方向の長さによって適宜変更することができる。これにより、所望のサイズの空洞６を炭化珪素基体１０に作成することができる。また、領域７に形成可能なトレンチ５の最大数やトレンチ５の形成方向の最大の長さなどは、領域７のサイズによって定まるため、領域７のサイズを調整することによって領域７に形成可能な最大の空洞６のサイズを適宜変更することができる。

以上実施の形態で説明したように、本実施の形態によれば、複数のトレンチの長手方向と、炭化珪素基体の結晶軸方向＜１１−２０＞とがずれるように複数のトレンチを形成し、エッチング効果のあるガスを含む雰囲気下での熱処理によってＳｉＣ膜を成膜することにより複数のトレンチの各開口部を塞ぐとともに、複数のトレンチの側壁をエッチングして複数のトレンチを連結させて一体化させる。炭化珪素基板には、安定して結晶を成長させることができる結晶面もあれば、ｍ面でない面のように安定して結晶を成長させることができない結晶面なども存在する。安定して結晶を成長させることができる結晶面は、例えば、ｍ面である。トレンチの側壁がｍ面でない場合、トレンチの側壁がｍ面である場合と比較して、トレンチ５の側壁ではＳｉ原子やＣ原子が移動しやすい。このため、トレンチの側壁がｍ面でない場合、トレンチ５の側壁はエッチングされやすく、トレンチ間を連結させることができるとともに、炭化珪素膜がトレンチの開口部付近で成長してトレンチの開口部を塞ぐことができる。したがって、従来技術のように熱処理によるシリコン原子の表面拡散では平板形状の空洞を通常形成することはできないが、本実施の形態によれば炭化珪素基体の内部に平板形状の空洞を安定して形成することができる。

また、側壁がｍ面とならず、結晶軸方向に延びる直線状の平面形状のトレンチに限らず、６つの結晶面（ａ面）を側壁とする六角形の平面形状のトレンチが形成されてもよい。また、ｍ面のようにエッチングされにくい結晶面と、ｍ面と異なる面（例えば、ａ面）のようにエッチングされやすい結晶面と、が露出する矩形の平面形状のトレンチを形成してもよい。そして、このようなトレンチの場合、トレンチ間において、トレンチの側壁のうちエッチングされやすい結晶面が露出した部分のみを繋げてもよい。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素基体の製造方法は、絶縁構造を備えたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた各種センサなどに有用である。

１ 炭化珪素基板
２ エピタキシャル膜
３ ＳｉＯ₂膜
５ トレンチ
６ 空洞
７ 領域
１０ 炭化珪素基体
θ 所定角度
ｄ１ エピタキシャル膜の厚さ
ｄ２ ＳｉＯ₂膜の厚さ
ｄ３ トレンチの深さ
Ｌ トレンチの短手方向の幅
Ｓ 隣り合うトレンチの間隔

Claims (11)

1. 炭化珪素基体の一方の主面側から形成した複数のトレンチ同士を連結させて空洞を形成する炭化珪素基体の製造方法であって、
   複数の前記トレンチの長手方向が、前記炭化珪素基体の結晶軸方向＜１１−２０＞から、前記炭化珪素基体に設けられたオリエンテーションフラットの形成保証精度に基づく所定角度以上ずれた方向になる複数の前記トレンチを前記炭化珪素基体の一方の主面側から形成する第１工程と、
   前記第１工程の後、エッチング効果のあるガスと炭化珪素膜の原料となるガスとを含むガス雰囲気下での熱処理によって、前記炭化珪素基体の一方の主面側に前記炭化珪素膜を成膜するとともに、複数の前記トレンチの側壁をエッチングすることにより前記空洞を形成する第２工程と、
   を含むことを特徴とする炭化珪素基体の製造方法。
2. 前記第２工程では、
   前記炭化珪素膜を成膜することにより複数の前記トレンチの各開口部を塞ぐとともに、複数の前記トレンチの側壁をエッチングすることにより複数の前記トレンチを連結させて一体化させることにより前記空洞を形成することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素基体の製造方法。
3. 複数の前記トレンチのそれぞれの短手方向の幅が、２．５μｍ以上、５．０μｍ以下であり、
   隣り合う前記トレンチの間隔が、１μｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素基体の製造方法。
4. 前記エッチング効果のあるガスのガス量は、前記トレンチの側壁から前記炭化珪素基体の一方の主面に平行な方向に成膜される前記炭化珪素膜の厚さが、前記トレンチの側壁が前記平行な方向にエッチングされる長さよりも大きくなるガス量であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の炭化珪素基体の製造方法。
5. 前記エッチング効果のあるガスのガス量は、前記炭化珪素膜の厚さが、前記トレンチの側壁が前記平行な方向にエッチングされる長さよりも大きくなるガス量のうち、最も多いガス量であることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素基体の製造方法。
6. 前記エッチング効果のあるガスは、塩化水素ガスまたは塩素ガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の炭化珪素基体の製造方法。
7. 前記第２工程では、化学気相成長法により、複数の前記トレンチの各開口部を塞ぎ、前記空洞を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の炭化珪素基体の製造方法。
8. 前記炭化珪素基体は、炭化珪素基板の一方の主面にエピタキシャル成長によって炭化珪素からなるエピタキシャル膜が露出したエピタキシャル成長基体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の炭化珪素基体の製造方法。
9. 前記所定角度は、５度以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の炭化珪素基体の製造方法。
10. 複数の前記トレンチの短手方向に平行な方向における前記空洞の長さは、複数の前記トレンチの数に基づくことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の炭化珪素基体の製造方法。
11. 炭化珪素基体の一方の主面側から形成した複数のトレンチ同士を連結させて空洞を形成する炭化珪素基体の製造方法であって、
    前記炭化珪素基体の一方の主面側から、複数の前記トレンチの側壁が前記炭化珪素基体の結晶面｛１０−１０｝以外の面になる複数の前記トレンチを形成する第１工程と、
    前記第１工程の後、エッチング効果のあるガスと炭化珪素膜の原料となるガスとを含むガス雰囲気下での熱処理によって、前記炭化珪素基体の一方の主面側に前記炭化珪素膜を成膜するとともに、複数の前記トレンチの側壁をエッチングすることにより前記空洞を形成する第２工程と、
    を含むことを特徴とする炭化珪素基体の製造方法。

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