(57)【要約】【課題】低いしきい電圧と大きい耐圧とを得る。【解決手段】ゲート絶縁膜２０１はトレンチＴＲ上に設けられている。ゲート絶縁膜２０１はトレンチ絶縁膜２０１Ａおよび底絶縁膜２０１Ｂを有する。トレンチ絶縁膜２０１Ａは側壁ＳＷおよび底部ＢＴの各々を覆っている。底絶縁膜２０１Ｂはトレンチ絶縁膜２０１Ａを介して底部ＢＴ上に設けられている。底絶縁膜２０１Ｂはトレンチ絶縁膜２０１Ａの炭素原子濃度に比して低い炭素原子濃度を有する。ゲート電極２０２はトレンチ絶縁膜２０１Ａのうち側壁ＳＷ上の部分に接している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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の層上に設けられ前記第２の層によって前記第１の層と分離され前記第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トレンチが設けられており、前記トレンチは、前記第３の層および前記第２の層を貫通して前記第１の層に至る側壁と、前記第１の層からなる底部とを有し、さらに
前記トレンチ上に設けられたゲート絶縁膜を備え、前記ゲート絶縁膜は、前記側壁および前記底部の各々を覆うトレンチ絶縁膜と、前記トレンチ絶縁膜を介して前記底部上に設けられ、前記トレンチ絶縁膜の炭素原子濃度に比して低い炭素原子濃度を有する底絶縁膜とを含み、さらに
前記トレンチ内に設けられたゲート電極を備え、前記ゲート電極は前記トレンチ絶縁膜のうち前記側壁上の部分に接する、炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
前記底部上における前記トレンチ絶縁膜および前記底絶縁膜の各々の厚さの合計は前記側壁上における前記トレンチ絶縁膜の厚さよりも大きい、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
前記底部上において前記底絶縁膜の厚さは前記トレンチ絶縁膜の厚さよりも大きい、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
前記底部上における前記トレンチ絶縁膜の厚さは前記側壁上における前記トレンチ絶縁膜の厚さよりも小さい、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。
【請求項５】
前記トレンチ絶縁膜の炭素原子濃度は１×１０15ｃｍ-3より大きく、前記底絶縁膜の炭素原子濃度は１×１０15ｃｍ-3より小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項６】
前記底絶縁膜は１００ｎｍよりも大きい厚さを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記トレンチ絶縁膜は炭化珪素の熱酸化膜である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記底絶縁膜は、酸化珪素、窒化珪素、およびリン珪酸ガラスの少なくともいずれかから作られている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項９】
前記底絶縁膜は、シリコンを含み炭素を含まない膜の熱酸化膜である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素半導体装置に関するものであり、特に、トレンチを有する炭化珪素半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平７−３２６７５５号公報（特許文献１）は、炭化珪素基板を用いたトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）を開示している。この公報によれば、ゲート熱酸化膜においてトレンチの側面での膜厚に比べトレンチの底面での膜厚の方が厚くなっているので、しきい電圧が低くかつゲート・ドレイン間の耐圧が高くなる、と記載されている。また、酸化速度が速い六方晶系単結晶炭化珪素のカーボン面をトレンチの底面とし、このカーボン面に垂直で酸化速度が遅い面をトレンチの側面としたので、一度の熱酸化工程によりトレンチの側面と底面で厚さが大きく異なる熱酸化膜を形成できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３２６７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記公報の技術によると、トレンチ上のゲート絶縁膜はすべて炭化珪素基板のトレンチ上での熱酸化によって形成される。ここで用いられる炭化珪素基板は通常高い結晶性を有しているので、薄くかつ平坦なゲート絶縁膜を形成することができる。これにより低いしきい電圧が得られる。しかしながら、このように炭化珪素の熱酸化によって形成された絶縁膜中には、炭化珪素中に存在していた炭素原子が、無視できない程度に残留している。本発明者らの検討によれば、ゲート酸化膜中に残留した炭素原子は、ゲート絶縁膜の絶縁破壊耐性を低下させてしまう。よって上記従来の技術には、絶縁破壊耐性をより改善する余地があると考えられる。すなわち炭化珪素半導体装置の耐圧をより高める余地があると考えられる。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、低いしきい電圧と大きい耐圧とを有する炭化珪素半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の炭化珪素半導体装置は炭化珪素基板とゲート絶縁膜とゲート電極とを有する。炭化珪素基板は第１〜第３の層を含む。第１の層は第１の導電型を有する。第２の層は、第１の層上に設けられており、第２の導電型を有する。第３の層は、第２の層上に設けられており、第２の層によって第１の層と分離されており、第１の導電型を有する。炭化珪素基板にはトレンチが設けられている。トレンチは、第３の層および第２の層を貫通して第１の層に至る側壁と、第１の層からなる底部とを有する。ゲート絶縁膜はトレンチ上に設けられている。ゲート絶縁膜はトレンチ絶縁膜および底絶縁膜を有する。トレンチ絶縁膜は側壁および底部の各々を覆っている。底絶縁膜はトレンチ絶縁膜を介して底部上に設けられている。底絶縁膜はトレンチ絶縁膜の炭素原子濃度に比して低い炭素原子濃度を有する。ゲート電極はトレンチ内に設けられている。ゲート電極はトレンチ絶縁膜のうち側壁上の部分に接している。
【０００７】
この炭化珪素半導体装置によれば、ゲート電極とトレンチの底部との間の電気的絶縁が、トレンチ絶縁膜に加えて底絶縁膜によって確保される。底絶縁膜は、低い炭素原子濃度によって、高い絶縁破壊耐性を有する。これにより炭化珪素半導体装置は大きい耐圧を有する。またこの炭化珪素半導体装置によればゲート電極はトレンチ絶縁膜のうち側壁上の部分に接している。すなわちゲート電極は、チャネルをなす側壁に、底絶縁膜を介することなく対向している。これにより底絶縁膜は、しきい電圧を増大させないように配置されている。よって底絶縁膜の影響を受けることなく、低いしきい電圧が得られる。
【０００８】
好ましくは、底部上におけるトレンチ絶縁膜および底絶縁膜の各々の厚さの合計は側壁上におけるトレンチ絶縁膜の厚さよりも大きい。これにより、ゲート絶縁膜の厚さを側壁上において抑えつつ底部上において大きくすることができる。よってしきい電圧を抑えつつ炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【０００９】
好ましくは、底部上において底絶縁膜の厚さはトレンチ絶縁膜の厚さよりも大きい。これにより底部上において、ゲート絶縁膜のうち底絶縁膜からなる部分の割合が大きくされる。よって炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【００１０】
好ましくは、底部上におけるトレンチ絶縁膜の厚さは、側壁上におけるトレンチ絶縁膜の厚さよりも小さい。これにより、底部上において底絶縁膜を設けるための領域がより確保される。よって炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【００１１】
好ましくは、トレンチ絶縁膜の炭素原子濃度は１×１０15ｃｍ-3より大きく、底絶縁膜の炭素原子濃度は１×１０15ｃｍ-3より小さい。これにより底絶縁膜の炭素原子濃度が十分に低くされる。よって炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【００１２】
好ましくは、底絶縁膜は１００ｎｍよりも大きい厚さを有する。これにより炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【００１３】
好ましくは、トレンチ絶縁膜は炭化珪素の熱酸化膜である。これによりトレンチ絶縁膜を薄くかつ平滑なものとすることができる。よって炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【００１４】
好ましくは、底絶縁膜は、酸化珪素および窒化珪素の少なくともいずれかから作られている。これにより炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【００１５】
好ましくは、底絶縁膜は、シリコンを含み炭素を含まない膜の熱酸化膜である。これにより炭化珪素半導体装置の耐圧をより大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように本発明によれば、低いしきい電圧と大きい耐圧とが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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２】図１の炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素基板の形状を概略的に示す斜視図である。
【図３】図２の構成をより詳しく示した図であり、図を見やすくするために第２の導電型の領域にハッチングを付した図である。
【図４】図１の拡大図である。
【図５】図４の矢印Ｚに沿う炭素原子濃度のプロファイルを示すグラフ図である。
【図６】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７】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８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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１５】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１６】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１７】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１８】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１９】比較例の炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を概略的に示す部分断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態２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２１】炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素基板の表面の微細構造を概略的に示す部分断面図である。
【図２２】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２３】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２４】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２５】図２１の複合面を（０１−１０）面から見た図である。
【図２６】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。
【図２７】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２８】図２１の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態の縦型ＭＯＳＦＥＴ５００（炭化珪素半導体装置）は、エピタキシャル基板１００（炭化珪素基板）と、ゲート絶縁膜２０１と、ゲート電極２０２と、層間絶縁膜２０３と、ソース電極２２１と、ドレイン電極２１１と、ソース配線２２２と、保護電極２１２とを有する。
【００２０】
エピタキシャル基板１００は、炭化珪素から作られており、単結晶基板１１０およびその上に設けられたエピタキシャル層を有する。エピタキシャル層は、ｎ-層１２１（第１の層）と、ｐ型ボディ層１２２（第２の層）と、ｎ領域１２３（第３の層）と、コンタクト領域１２４とを有する。エピタキシャル基板１００の炭化珪素は、好ましくは六方晶の結晶構造を有し、より好ましくはポリタイプ４Ｈを有する。
【００２１】
単結晶基板１１０はｎ型（第１の導電型）を有する。単結晶基板１１０の一方主面（図１における上面）の面方位（ｈｋｌｍ）は、好ましくは負のｍを有し、より好ましくはおおよそ（０００−１）面である。
【００２２】
ｎ-層１２１は、ドナーが添加されていることでｎ型を有する。ｎ-層１２１へのドナーの添加は好ましくは、イオン注入によってではなく、ｎ-層１２１のエピタキシャル成長時の不純物添加によって行われている。ｎ-層１２１のドナー濃度は、単結晶基板１１０のドナー濃度よりも低いことが好ましい。ｎ-層１２１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。
【００２３】
ｐ型ボディ層１２２は、ｎ-層１２１上に設けられており、アクセプタが添加されていることでｐ型（第２の導電型）を有する。ｐ型ボディ層１２２のアクセプタ濃度は、たとえば１×１０18ｃｍ-3である。
【００２４】
ｎ領域１２３はｎ型を有する。ｎ領域１２３は、ｐ型ボディ層１２２上に設けられており、ｐ型ボディ層１２２によってｎ-層１２１と分離されている。コンタクト領域１２４はｐ型を有する。コンタクト領域１２４は、ｐ型ボディ層１２２につながるようにｐ型ボディ層１２２の一部の上に形成されている。
【００２５】
さらに図２および図３を参照して、エピタキシャル基板１００にはトレンチＴＲが設けられている。トレンチＴＲは、ｎ領域１２３およびｐ型ボディ層１２２を貫通してｎ-層１２１に至る側壁ＳＷと、ｎ-層１２１からなる底部ＢＴとを有する。側壁ＳＷはｐ型ボディ層１２２上においてチャネル面ＣＨ（図３）を含む。底部ＢＴは、エピタキシャル基板１００の主面とほぼ平行な平坦面である。好ましくは側壁ＳＷは、特にｐ型ボディ層１２２上において、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。
【００２６】
エピタキシャル基板１００がトレンチＴＲを有するということは、単結晶基板１１０の上面上においてエピタキシャル層が部分的に除去されていることに対応している。本実施の形態においては、単結晶基板１１０の上面上において多数のメサ構造が形成されている。具体的には、メサ構造は上面および底部が六角形状となっており、その側壁は単結晶基板１１０の上面に対して傾斜している。これによりトレンチＴＲは開口側に向かってテーパ状に拡がっている。
【００２７】
ゲート絶縁膜２０１はトレンチＴＲ上に設けられている。ゲート絶縁膜２０１はトレンチＴＲ内においてエピタキシャル基板１００とゲート電極２０２とを隔てている。ゲート絶縁膜２０１はトレンチ絶縁膜２０１Ａおよび底絶縁膜２０１Ｂを有する。トレンチ絶縁膜２０１Ａは側壁ＳＷおよび底部ＢＴの各々を覆っている。底絶縁膜２０１Ｂは、トレンチ絶縁膜２０１Ａを介して底部ＢＴ上に設けられている。底絶縁膜２０１Ｂは、底部ＢＴと側壁ＳＷとがなす角部に位置する部分を有する。
【００２８】
底絶縁膜２０１Ｂはトレンチ絶縁膜２０１Ａの炭素原子濃度に比して低い炭素原子濃度を有する。好ましくは、トレンチ絶縁膜２０１Ａは炭化珪素の熱酸化膜である。この場合、トレンチ絶縁膜２０１Ａは、不純物として炭素原子を含有する酸化珪素から作られている。底絶縁膜２０１Ｂは、シリコンを含み炭素を含まない膜の熱酸化膜であることが好ましく、本実施の形態においては、シリコン膜の熱酸化膜であって、酸化珪素から作られている。
【００２９】
図４に示すように、トレンチ絶縁膜２０１Ａは側壁ＳＷおよび底部ＢＴのそれぞれの上において厚さｔ１およびｔ２を有する。底絶縁膜２０１Ｂは底部ＢＴ上において厚さｔ３を有する。厚さｔ２およびｔ３の合計は厚さｔ１よりも大きいことが好ましい。厚さｔ３は厚さｔ２よりも大きいことが好ましい。厚さｔ２は厚さｔ１よりも小さいことが好ましい。厚さｔ３は１００ｎｍよりも大きいことが好ましい。
【００３０】
トレンチ絶縁膜２０１Ａの炭素原子濃度は１×１０15ｃｍ-3より大きくてもよい。底絶縁膜２０１Ｂの炭素原子濃度は１×１０15ｃｍ-3より小さいことが好ましい。なお炭素原子濃度が不均一な場合は平均的な値を算出すればよい。
【００３１】
さらに図５を参照して、底部ＢＴ上からトレンチ内へ向かう厚さ方向（図４における矢印Ｚ）に沿う炭素原子濃度ＮＣのプロファイルを図５中の実線により例示する。位置Ｚ＝０は底部ＢＴとトレンチ絶縁膜２０１Ａとの界面に対応する。位置Ｚ＝ｔ２はトレンチ絶縁膜２０１Ａと底絶縁膜２０１Ｂとの界面に対応する。位置Ｚ＝ｔ２＋ｔ３は底絶縁膜２０１Ｂとゲート電極２０２との界面に対応する。０＜Ｚ＜ｔ２においては、Ｚの増大につれて炭素原子濃度ＮＣが小さくなっている。Ｚ＝０近傍（図中、矢印ｄ１）において炭素原子濃度ＮＣの減少は比較的緩やかである。またＺ＞ｔ２において炭素原子濃度ＮＣがほぼ検出限界以下となっている。位置Ｚ＝０近傍におけるトレンチ絶縁膜２０１Ａの炭素原子濃度ＮＣは、典型的には１×１０17ｃｍ-3程度より大きく１×１０20ｃｍ-3程度より小さく、たとえば１×１０18ｃｍ-3程度である。
【００３２】
ゲート電極２０２はトレンチＴＲ内に設けられている。具体的にはゲート電極２０２はゲート絶縁膜２０１を介してトレンチＴＲに埋め込まれている。ゲート電極２０２はトレンチ絶縁膜２０１Ａのうち側壁ＳＷ上の部分に接している。側壁ＳＷ上において、ゲート電極２０２はトレンチ絶縁膜２０１Ａのみを介してｐ型ボディ層１２２の表面に対向している。すなわち、トレンチ絶縁膜２０１Ａのうち側壁ＳＷ上の部分と、ゲート電極２０２との間には、底絶縁膜２０１Ｂが設けられていない。ゲート電極２０２の上面は、ゲート絶縁膜２０１のうちｎ領域１２３の上面上に位置する部分の上面とほぼ同じ高さになっている。層間絶縁膜２０３は、ゲート絶縁膜２０１のうちｎ領域１２３の上面上にまで延在する部分とゲート電極２０２とを覆うように設けられている。
【００３３】
ソース電極２２１は、層間絶縁膜２０３を貫通してｎ領域１２３およびコンタクト領域１２４の各々に接している。ソース配線２２２はソース電極２２１に接するようにソース電極２２１および層間絶縁膜２０３上に設けられている。ドレイン電極２１１は、エピタキシャル基板１００の、トレンチＴＲが設けられた面と反対の面の上に設けられている。保護電極２１２はドレイン電極２１１を被覆している。
【００３４】
次にＭＯＳＦＥＴ５００（図１）の製造方法について説明する。
図６に示すように、単結晶基板１１０上にｎ-層１２１がエピタキシャル成長により形成される。このエピタキシャル成長は、たとえば原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）とプロパン（Ｃ3Ｈ8）との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス（Ｈ2）を用いたＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法により行うことができる。また、このときドナー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。
【００３５】
図７に示すように、ｎ-層１２１上のｐ型ボディ層１２２と、ｐ型ボディ層１２２上のｎ領域１２３とが形成される。具体的には、ｎ-層１２１の上面にイオン注入が行われる。ｐ型ボディ層１２２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）などのアクセプタがイオン注入される。またｎ領域１２３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）などのドナーがイオン注入される。これにより、ｎ-層１２１と、ｐ型ボディ層１２２と、ｎ領域１２３とを有するエピタキシャル基板１００が形成される。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。
【００３６】
図８に示すように、イオン注入によってコンタクト領域１２４が形成される。次に、イオン注入により添加された不純物を活性化するための活性化熱処理が行われる。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。
【００３７】
次にエピタキシャル基板１００上に、ｎ領域１２３を部分的に露出する開口部を有するマスク２４７（図９）が形成される。開口部はトレンチＴＲ（図１）の位置に対応して形成される。マスク２４７としては、たとえば、熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜を用いることができる。
【００３８】
図１０に示すように、マスク２４７の開口部において、ｎ領域１２３と、ｐ型ボディ層１２２と、ｎ-層１２１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、側壁が単結晶基板１１０の主表面に対してほぼ垂直な内面ＳＶを有する凹部ＴＱを形成することができる。
【００３９】
次に、マスク２４７を用いてエピタキシャル基板１００がエッチングされる。具体的には、エピタキシャル基板１００に対して、凹部ＴＱの内面ＳＶ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、エピタキシャル基板１００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、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。
【００４０】
図１１に示すように、熱エッチングによりトレンチＴＲが形成される。トレンチＴＲの形成の際、エピタキシャル基板１００は、矢印ＳＥで示すようにマスク２４７の開口部からサイドエッチングされるようにエッチングされる。またこの熱エッチングの際、トレンチＴＲの側壁ＳＷ上、特にそのｐ型ボディ層１２２からなる部分の上に、特殊面が自己形成される。
【００４１】
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２４７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。
【００４２】
図１２に示すように、マスク２４７が設けられたエピタキシャル基板１００上にシリコン膜９０が形成される。言い換えれば、マスク２４７を用いつつシリコン膜９０が形成される。シリコン膜９０は、トレンチＴＲの底部ＢＴ上に形成される。この形成は、たとえばＣＶＤ法により行われ得る。次にマスク２４７がエッチングなど任意の方法により除去される（図１３）。この際、シリコン膜９０のうちマスク２４７上の部分も除去される。
【００４３】
次に、トレンチＴＲ内における酸化によって、トレンチＴＲ上にゲート絶縁膜２０１（図１）が形成される。具体的には、次の工程が行われる。まずシリコン膜９０（図１３）が熱酸化される。これにより、ゲート絶縁膜２０１（図１）の一部を構成することになる底絶縁膜２０１Ｂとしての酸化珪素膜が形成される（図１４）。シリコン膜９０の熱酸化は、たとえば８００℃以上９５０℃以下で行われる。次に、図１５に示すように、炭化珪素からなるエピタキシャル基板１００が熱酸化されることで、ゲート絶縁膜２０１のうちトレンチ絶縁膜２０１Ａとしての酸化珪素膜が形成される。エピタキシャル基板１００の熱酸化は、好ましくはシリコン膜９０が熱酸化される際の温度よりも高い温度で行われ、たとえば１３００℃以上で行われる。
【００４４】
図１６に示すように、ゲート絶縁膜２０１上にゲート電極２０２が形成される。ゲート電極２０２は、ゲート電極２０２がｐ型ボディ層１２２上のトレンチ絶縁膜２０１Ａに直接接するように形成される。ゲート電極２０２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（Chemical  Mechanical  Polishing）とによって行い得る。
【００４５】
図１７に示すように、ゲート電極２０２の露出面を覆うようにゲート電極２０２およびゲート絶縁膜２０１上に層間絶縁膜２０３が形成される。図１８を参照して、層間絶縁膜２０３およびゲート絶縁膜２０１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、メサ構造の上面においてｎ領域１２３およびコンタクト領域１２４の各々が露出される。次に、メサ構造の上面においてｎ領域１２３およびコンタクト領域１２４の各々に接するソース電極２２１が形成される。再び図１を参照して、ソース配線２２２、ドレイン電極２１１および保護電極２１２が形成される。これにより、ＭＯＳＦＥＴ５００が得られる。
【００４６】
本実施の形態のＭＯＳＦＥＴ５００（図４）によれば、ゲート電極２０２とトレンチＴＲの底部ＢＴとの間の電気的絶縁が、トレンチ絶縁膜２０１Ａに加えて底絶縁膜２０１Ｂによって確保される。底絶縁膜２０１Ｂは、低い炭素原子濃度を有するので、高い絶縁破壊耐性を有する。これによりＭＯＳＦＥＴ５００は大きい耐圧を有する。またこのＭＯＳＦＥＴ５００によればゲート電極２０２はトレンチ絶縁膜２０１Ａのうち側壁ＳＷ上の部分に接している。すなわちゲート電極２０２は、チャネルをなす側壁ＳＷに、底絶縁膜２０１Ｂを介することなく対向している。これにより底絶縁膜２０１Ｂは、しきい電圧を増大させないように配置されている。よって底絶縁膜２０１Ｂの影響を受けることなく低いしきい電圧が得られる。
【００４７】
またトレンチ絶縁膜２０１Ａが、エピタキシャル基板１００の炭化珪素の熱酸化膜である（図１４および図１５参照）。これによりトレンチ絶縁膜を薄くかつ平滑なものとすることができる。よってＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。
【００４８】
また底絶縁膜２０１Ｂは、酸化珪素から作られている。これによりＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。また底絶縁膜２０１Ｂは、シリコン膜９０、すなわちシリコンを含み炭素を含まない膜の熱酸化膜である。これによりＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。
【００４９】
ｔ２＋ｔ３＞ｔ１の場合、ゲート絶縁膜２０１の厚さを側壁ＳＷ上において抑えつつ底部ＢＴ上において大きくすることができる。よってしきい電圧を抑えつつＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。
【００５０】
ｔ３＞ｔ２の場合、底部ＢＴ上においてゲート絶縁膜２０１のうち底絶縁膜２０１Ｂからなる部分の割合が大きくなる。よってＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。
【００５１】
ｔ２＜ｔ１の場合、底部ＢＴ上において底絶縁膜２０１Ｂを設けるための領域がより確保される。よってＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。
【００５２】
ｔ３＞１００ｎｍの場合、ＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。
底絶縁膜２０１Ｂの炭素原子濃度が１×１０15ｃｍ-3より小さい場合、底絶縁膜２０１Ｂの炭素原子濃度は十分に低い。よってＭＯＳＦＥＴ５００の耐圧をより大きくすることができる。
【００５３】
また本実施の形態によれば、トレンチＴＲの底部ＢＴのすぐ上におけるゲート絶縁膜２０１中の炭素原子濃度ＮＣ（図５）の減少が、矢印ｄ１（図５）に示すように比較的緩やかである。これによりゲート絶縁膜２０１中における組成変動に起因した応力の発生を抑制することができる。これに対して、図１９に示すように仮に、底絶縁膜２０１Ｂ（図１５）なしでのエピタキシャル基板１００の熱酸化によってゲート絶縁膜２０１Ｚが形成される場合、矢印ｄ２（図５）に示すように、トレンチＴＲの底部ＢＴのすぐ上においてゲート絶縁膜２０１Ｚ中の炭素原子濃度ＮＣは急減する。この結果、ゲート絶縁膜２０１Ｚに応力が加わりやすい。
【００５４】
なお本実施の形態においては底絶縁膜２０１Ｂ（図１４）としての酸化珪素膜はシリコン膜９０（図１３）の熱酸化によって形成された酸化珪素膜であるが、シリコン膜９０を成膜する代わりに酸化珪素膜が、たとえばＣＶＤ法によって成膜されてもよい。また底絶縁膜の材料は酸化珪素に限定されるものではなく、たとえば、リン珪酸ガラスまたは窒化珪素であってもよい。窒化珪素からなる膜は、たとえばＣＶＤ法によって形成され得る。
【００５５】
また「第１の導電型」がｎ型であり「第２の導電型」がｐ型であるが、これらの導電型が入れ替えられもよい。この場合、上記説明におけるドナーおよびアクセプタも入れ替えられる。なお、より高いチャネル移動度を得るためには、「第１の導電型」がｎ型であることが好ましい。また炭化珪素半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、たとえばトレンチ型ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）であってもよい。
【００５６】
（実施の形態２）
図２０に示すように、本実施の形態のＭＯＳＦＥＴ５００ｖ（炭化珪素半導体装置）は、トレンチＴＲ（図４）の代わりに、Ｖ字状のトレンチＴＲｖを有する。トレンチＴＲｖは、底部ＢＴ（図４）の代わりに底部ＢＴｖを有する。底部ＢＴｖは断面視（図２０）において、互いに対向する側壁ＳＷがＶ字形状をなすように接する部分である。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。
【００５７】
（特殊面を有する表面）
上述したように、トレンチＴＲの側壁ＳＷ（図１）は好ましくは、特にｐ型ボディ層１２２上において、所定の結晶面（特殊面とも称する）を有する。このような側壁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。面Ｓ１は好ましくは面方位（０−３３−８）を有する。
【００５８】
より好ましくは、側壁ＳＷは面Ｓ１を微視的に含み、側壁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。面Ｓ２は好ましくは面方位（０−１１−１）を有する。
【００５９】
好ましくは、側壁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。好ましくは複合面ＳＲ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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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２５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２５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。
【００６５】
次に図２６を参照して、側壁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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
図２８に示すように、側壁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ＳＷが含んでもよい。この場合、側壁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。
【００７０】
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。
【符号の説明】
【００７１】
９０  シリコン膜、  １００  エピタキシャル基板（炭化珪素基板）、１１０  単結晶基板、１２１  ｎ-層（第１の層）、１２２  ｐ型ボディ層（第２の層）、１２３  ｎ領域（第３の層）、１２４  コンタクト領域、２０１  ゲート絶縁膜、２０１Ａ  トレンチ絶縁膜、２０１Ｂ  底絶縁膜、２０２  ゲート電極、２０３  層間絶縁膜、２１１  ドレイン電極、２１２  保護電極、２２１  ソース電極、２２２  ソース配線、２４７  マスク、５００，５００ｖ  ＭＯＳＦＥＴ（炭化珪素半導体装置）、ＢＴ，ＢＴｖ  底部、ＳＷ  側壁、ＴＲ，ＴＲｖ  トレンチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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