(57)【要約】【目的】微細トレンチ型ＭＯＳゲート構造を備える炭化珪素半導体装置の製造プロセスにおいて、トレンチエッチング後の表面に残るパーティクルや酸化物系残さを充分に除去できる炭化珪素半導体装置の製造方法の提供。【構成】炭化珪素半導体基板にゲート酸化膜を形成する工程の前に、温度１５００℃以上の減圧反応炉中で、水素の供給により前記半導体基板表面を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする表面処理工程を施す半導体装置の製造方法とする。【選択図】        図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素半導体基板にゲート酸化膜を形成する工程の前に、温度１５００℃以上の減圧反応炉中で、水素の供給により前記半導体基板表面を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする表面処理工程を施すことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、ＨＣｌガスを添加供給してエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、Ｃ３Ｈ８ガスを添加供給してエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、ＳｉＨ４ガスを添加供給してエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、Ｃ３Ｈ８ガスおよびＳｉＨ４ガスをそれぞれ添加供給することによるエッチング工程と、前記Ｃ３Ｈ８ガスおよびＳｉＨ４ガスによるエピタキシャル成膜工程を含み、前記エッチングの速度が前記エピタキシャル成膜による速度をやや上回るか、または等速になる関係を有することを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項６】
減圧範囲が５０〜２００Ｔｏｒｒであり、水素供給量が数ＳＬＭ〜数１００ＳＬＭの範囲であり、前記水素に添加されるエッチングガスの流量が１〜数１００ｓｃｃｍ程度の範囲の流量であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記エッチング工程後、Ｃ３Ｈ８ガスおよびＳｉＨ４ガスによりエピタキシャル成膜する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の表面処理工程の組み合わせからなる表面処理工程を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項９】
炭化珪素半導体基板にゲート酸化膜を形成する工程前に、トレンチ型ＭＯＳゲート構造とするためのトレンチを形成した後、前記表面処理工程を施すことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
トレンチＭＯＳ構造が形成される主面が（１１−２０）面またはこれと等価な面であり、かつトレンチ側壁の少なくとも一部は、炭化珪素半導体基板の晶態が４Ｈ−ＳｉＣの場合で（０３−３８）面または炭化珪素半導体基板の晶態が６Ｈ−ＳｉＣの場合で（０１−１４）面およびこれら面方位に等価な結晶面であることを特徴とする請求項９記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
炭化珪素半導体装置がＵＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項９または１０記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記炭化珪素半導体基板の主面に形成されるトレンチの平面パターンが格子状またはストライプ状であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁ゲートを有する炭化珪素半導体装置の製造方法に関する（以降、炭化珪素をＳｉＣと化学記号で表記することもある）。本発明は、とりわけ、トレンチ型の絶縁ゲートの形成方法およびその形成過程における炭化珪素半導体装置の表面処理技術に関する。このような表面処理技術にかかる本発明は、トレンチ型絶縁ゲート構造を有するすべての炭化珪素半導体装置の製造方法に適用され得るが、特には、それぞれトレンチ型絶縁ゲート構造を有する、たとえばＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、絶縁ゲート型サイリスタなどへ好適に適用される。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素半導体結晶は、シリコン（Ｓｉ）結晶より、熱伝導率が高く、物理的、化学的、熱的にも安定な結晶材料である。バンドギャップが４Ｈ−ＳｉＣで３．２５ｅＶとＳｉの１．１２ｅＶに対して３倍程度大きく、絶縁破壊を生じさせる電界強度がＳｉ（０．３ＭＶ／ｃｍ）より１桁近く大きくなる（２〜４ＭＶ／ｃｍ）という特徴を持つので、電力用半導体装置として優れている。
電力用半導体素子においては、素子のオン抵抗が、電界強度の３乗に逆比例して減少、また移動度の逆数に比例して減少するので、炭化珪素半導体におけるキャリア移動度がシリコン半導体より低いことと考え合わせても、炭化珪素半導体装置では、シリコン半導体装置と比べて数１００分の１にオン抵抗を低減することができ、次世代の電力用半導体装置として期待されている。現在までに、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなど様々な構造のデバイスが炭化珪素結晶材料を用いて試作され、その一部が既に実用化されている。
【０００３】
しかし、具体的な炭化珪素半導体装置を例に挙げてさらに説明すると、たとえば、４Ｈ−ＳｉＣ結晶を主要材料とするＭＯＳＦＥＴでは、炭化珪素結晶表面に形成されるシリコン酸化膜をゲート酸化膜として用いるので、シリコン酸化膜と炭化珪素界面においてＳｉとＣのバランスが崩れて界面準位密度が高くなり易く、チャネルにおけるキャリア移動度（以降、チャネル移動度と表す）が低いため、このチャネル移動度のままで推移すると、チャネル抵抗がオン抵抗の大半を占め、性能の限界がチャネル抵抗によって決まってしまうと思われる。チャネル抵抗が高いことに対する対策は、たとえば、ＭＯＳゲートをトレンチゲート型にして単位面積あたりのチャネル密度を増やすこと、あるいはＭＯＳゲートを形成する結晶面方位を、現在最も移動度が高い面として知られている（０３−３８）面とすることなどの対策が考えられる。しかし、これらの対策は、界面準位密度を抑制してチャネル移動度を上げるという根本的な対策ではなく、チャネル移動度が十分に得られない中で、より好ましい面方位を選んでいくという対症療法的なものに過ぎないので、必ずしも充分とは言えない。従って、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴの今後の高性能化にあたっては、チャネル移動度自体の向上が必要不可欠な課題であると考えられる。
【０００４】
また、下記特許文献１に、炭化珪素結晶を用いた場合のＭＯＳ構造における界面準位密度を下げ、チャネル移動度を向上させることを目的とする発明が示されている。特に同特許文献１の図５および（００６１）欄に具体的なチャネル移動度の向上のための方法が記載されている。この発明の考え方は、炭化珪素結晶の表面領域において、Ｓｉ原子の個数とＣ原子の個数とのバランスが酸化膜形成によって崩れ、余剰となったＣ原子が界面準位密度に悪影響を及ぼすことを抑制するため、あらかじめＳｉ原子を余剰に与えておくというものである。
【特許文献１】特開２００３−１２４２０８号公報（０００５欄、００６１欄および図５を参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に記載の発明は、ゲート酸化膜の形成前に、既に信頼できる清浄表面が得られていることを前提条件とする場合のみ適用でき、清浄表面が得られていない場合は有効な適用が困難ではないかと思われる。
ところが、トレンチ型ＭＯＳゲート構造を備える炭化珪素半導体装置の製造プロセスにおいては、トレンチ幅や径が微細になると、図３のトレンチの要部拡大斜視図に示すように、トレンチ８内のパーティクル１４や酸化物系残さ１０などによる各種汚染の除去が次第に困難となり、またトレンチ８内の結晶表面９に表面ラフネス（表面粗れ）１３が発生し易いという問題が見られる。その結果、これらの問題はゲート絶縁膜形成前の問題であるので、これらの汚染の問題を解決せずに、そのままの状態で、ゲート酸化膜を形成すれば、ゲート絶縁膜の膜質の低下が当然に予想される。従って、ゲート絶縁膜形成時に生じる前記特許文献１に記載の課題よりも先に解決されるべき優先課題となると思われる。言い換えると、炭化珪素結晶の表面について前述の特許文献１に記載のようにＳｉ原子とＣ原子との個数のバランスがゲート酸化膜形成の際に、崩れることに起因する問題だけでなく、そのゲート酸化膜形成の前段階において、既に存在するトレンチ内のパーティクルや酸化物系残さなどの各種汚染や表面ラフネスなど、ゲート絶縁膜の膜質を低下させる多くの要因を先に取り除かなければならないということである。以下、本明細書の記載では、このうち、パーティクルや酸化物系残さとしては炭化珪素結晶が表面領域の数原子層の部分でアモルファス化した層、または洗浄液から混入する酸素原子を取り込んだ層を含めることとする。
【０００６】
さらに、とりわけトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴのトレンチ形成工程においては、トレンチ幅や径の微細化に伴い前記パーティクルや酸化物系残さなどの各種汚染や表面ラフネスなどに起因する問題発生の比重が高くなってきている。従って、前述のように、トレンチ幅や径が微細化されればされるほど、まず信頼できる清浄表面を得ることが最優先課題になってくるのである。
またさらに、チャネル移動度を向上させるためには、ＭＯＳチャネルを形成する炭化珪素結晶表面をなるべく完全結晶の清浄表面に近づけると同時に、該表面領域を構成する原子（ＳｉまたはＣ）のダングリングボンド（未結合手）を水素原子で終端し、汚染元素の付着を防ぐなどの処理工程なども極めて重要な工程と考えられる。
本発明は、以上述べた問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ＭＯＳゲート構造を備える炭化珪素半導体装置の製造プロセスにおいて、とりわけ、微細トレンチ型ＭＯＳゲート構造を備える炭化珪素半導体装置の製造プロセスにおいて、トレンチエッチング後の表面に残るパーティクルや酸化物系残さを充分に除去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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
特許請求の範囲の請求項１記載の本発明によれば、炭化珪素半導体基板にゲート酸化膜を形成する工程の前に、温度１５００℃以上の減圧反応炉で、水素の供給により前記半導体基板表面を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする表面処理工程を施す炭化珪素半導体装置の製造方法とすることにより、前記目的は達成される。
特許請求の範囲の請求項２記載の本発明によれば、前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、ＨＣｌガスを添加供給してエッチングする工程を含む特許請求の範囲の請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項３記載の本発明によれば、前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、Ｃ３Ｈ８ガスを添加供給してエッチングする工程を含む特許請求の範囲の請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることが好ましい。
【０００８】
特許請求の範囲の請求項４記載の本発明によれば、前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、ＳｉＨ４ガスを添加供給してエッチングする工程を含む特許請求の範囲の請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項５記載の本発明によれば、前記表面処理工程が、水素をキャリアガスとして供給しながら、Ｃ３Ｈ８ガスおよびＳｉＨ４ガスをそれぞれ添加供給することによるエッチング工程と、前記Ｃ３Ｈ８ガスおよびＳｉＨ４ガスによるエピタキシャル成膜工程を含み、前記エッチングの速度が前記エピタキシャル成膜による速度をやや上回るか、または等速になる関係を有する特許請求の範囲の請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることも好ましい。
特許請求の範囲の請求項６記載の本発明によれば、減圧範囲が５０〜２００Ｔｏｒｒのであり、水素供給量が数ＳＬＭ〜数１００ＳＬＭの範囲であり、前記水素に添加されるエッチングガスの流量が１〜数１００ｓｃｃｍ程度の範囲の流量であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【０００９】
特許請求の範囲の請求項７記載の本発明によれば、前記エッチング工程後、Ｃ３Ｈ８ガスおよびＳｉＨ４ガスによりエピタキシャル成膜する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることも望ましい。
特許請求の範囲の請求項８記載の本発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の表面処理工程の組み合わせからなる表面処理工程を含む炭化珪素半導体装置の製造方法とすることが好適である。
特許請求の範囲の請求項９記載の本発明によれば、炭化珪素半導体基板にゲート酸化膜を形成する工程前に、トレンチ型ＭＯＳゲート構造とするためのトレンチを形成した後、前記表面処理工程を施すことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることがより好ましい。
【００１０】
特許請求の範囲の請求項１０記載の本発明によれば、トレンチＭＯＳ構造が形成される主面が（１１−２０）面またはこれと等価な面であり、かつトレンチ側壁の少なくとも一部は、炭化珪素半導体基板の晶態が４Ｈ−ＳｉＣの場合で（０３−３８）面または炭化珪素半導体基板の晶態が６Ｈ−ＳｉＣの場合で（０１−１４）面およびこれら面方位に等価な結晶面である特許請求の範囲の請求項９記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることがより望ましい。
特許請求の範囲の請求項１１記載の本発明によれば、炭化珪素半導体装置がＵＭＯＳＦＥＴである特許請求の範囲の請求項９または１０記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることが好適である。
特許請求の範囲の請求項１２記載の本発明によれば、前記炭化珪素半導体基板の主面に形成されるトレンチの平面パターンが格子状またはストライプ状である特許請求の範囲の請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法とすることがいっそう好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＭＯＳゲート構造を備える炭化珪素半導体装置の製造プロセスにおいて、とりわけ、微細トレンチ型ＭＯＳゲート構造を備える炭化珪素半導体装置の製造プロセスにおいて、トレンチエッチング後のパーティクルや酸化物系残さを充分に除去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。
なお、以下に説明する本発明では、最も顕著な効果を示すトレンチＭＯＳゲート構造を有する炭化珪素半導体装置の場合を説明の中心とするが、通常のプレーナ型ＭＯＳゲート構造の場合でもよりよい炭化珪素結晶表面が得られるに越したことはない以上、発明の効果を否定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明炭化珪素半導体装置の製造方法にかかる半導体基板を示す要部断面図である。図２は本発明炭化珪素半導体装置の製造方法にかかるトレンチエッチング工程前の半導体基板を示す要部断面図である。図３はトレンチ内部における酸化物系残さを示す要部拡大斜視図である。図４は本発明にかかる２つの異なる４Ｈ−ＳｉＣ（０３−３８）面および６Ｈ−Ｓｉ（０１−１４）面によりトレンチ側壁を構成した場合の構造図である。図５−１〜図５−３はそれぞれ本発明にかかるトレンチ内部における酸化物系残さの除去過程を示す要部断面図である。図６は原子レベルで示す、原子の堆積状況を示す模式図である。図７は図２のマクロ的視野の断面図である。図８は本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法により作成されるトレンチＭＯＳ炭化珪素半導体基板の断面図である。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
以下の説明では、ｎチャネル型のトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＵＭＯＳＦＥＴと記載する）を例にあげて説明するが、ｎ型とｐ型を入れ換えて、ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴとして実施することも可能である。また、後述するようにトレンチゲートを形成しない通常のプレーナーゲート型ＭＯＳＦＥＴにも適用できる。
以下の説明において、図１、図２に示すｐ−ｗｅｌｌ領域４の形成とｎ＋ソース領域５の形成とトレンチ８の形成とを、必ずしもこの順序で実施する必要はない。これらの工程の順序は任意に入れ換えて実施して構わない。ただし、順序を入れ換える際、少なくともｐ−ｗｅｌｌ領域４はトレンチ８に先立って形成しておく方が、プロセス安定性が高い。
【００１４】
以下、実施例１にかかわるＵＭＯＳＦＥＴの製造工程を、図１、図２を用いて、順を追って説明する。
（１１−２０）面を主表面とする低抵抗のｎ＋型炭化珪素半導体基板１の表面領域に、ドリフト領域となる不純物濃度１×１０１６ｃｍ−３のｎ−型炭化珪素層２をエピタキシャル成膜により厚さ１０μｍ形成し、続けて同じくエピタキシャル成膜により不純物濃度２×１０１７ｃｍ−３のｎ型バッファ領域となる炭化珪素層３を厚さ０．４μｍ、ｐ−ｗｅｌｌ４となる不純物濃度２×１０１７ｃｍ−３のｐ型炭化珪素層４を厚さ２μｍ、続いてｎ＋型ソース領域５となる不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ＋型炭化珪素層５を厚さ０．５μｍでそれぞれ形成する。このようにして形成された半導体基板の表面領域を１１００℃において１時間パイロジェニック酸化し、厚さ３０〜５０ｎｍの保護酸化膜６を形成する。このときの要部断面図を図１（ａ）に示す。
【００１５】
なお、前述の工程において形成された前記エピタキシャル成膜層３〜５のいずれかまたは全部を、必ずしもエピタキシャル成膜によらず、イオン注入と活性化アニールによって形成してもよい。本実施例では、すべてをエピタキシャル成膜によって形成したものとして、説明を続ける。
続いて保護酸化膜６の表面領域にＡｌマスク７を厚さ０．５μｍとなるようスパッタ成膜し、続いてフォトプロセスでＡｌをパターニングする（図１（ｂ））。このＡｌマスクを用いてＳＦ６とＯ２ガスを用いてＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｚｍａ）プラズマエッチングを行い、トレンチ８を形成し（図２（ａ））、その後Ａｌマスク７と保護酸化膜６を除去する。この状態での要部断面図を図２（ｂ）に示す。
ここで、ＩＣＰプラズマエッチングによるトレンチエッチングにおいては、多くの場合、微量ではあるが半導体表面に重金属汚染が発生する。その重金属の汚染量は装置の機種や、元素種によってまちまちであるが、表面における重金属原子数の面密度にして、およそ１×１０１１ｃｍ−２から１×１０１２ｃｍ−２台の数字が出る場合が多い。電子デバイスプロセスとしては、前記重金属汚染の容認範囲は１×１０１１ｃｍ−２未満である。通常は、前記保護酸化膜６を除去する際、希フッ酸やバッファードフッ酸などのフッ酸系の溶液でウェット処理すると、これら重金属汚染も大半が除去され、容認範囲内に収まるので、あまり問題とされない。
【００１６】
ところで、ＩＣＰプラズマエッチングをはじめとするドライエッチングは、プラズマやイオンを結晶表面に数１０〜数１００Ｖの加速電圧によって叩きつけることで異方性エッチング効果を得るものであるから、結晶を部分的に破壊する副作用も持ち、図３のトレンチの要部拡大斜視図に示すように酸化物系残さ１０がトレンチ内壁９に付着したり、アモルファス状炭化珪素１１や結晶ダメージ１２や表面ラフネス１３が発生しやすいという問題がある。
トレンチ形成のためにドライエッチングを利用する場合、前記問題は、ほぼすべての半導体材料に共通である。前記アモルファス層１１や結晶ダメージ１２の形成は、一般にはウェットエッチングを使うと回避できる。ウェットエッチングにおける反応分子の衝突エネルギーは、室温において約２６ｍｅＶしかないので、アモルファス層１１や結晶ダメージ１２を与えることのできるエネルギーではない。しかしながら、一般的に結晶面方位が厳しく規定されるトレンチ８を形成するためには、ウェットエッチングのみでは不可能であり、異方性ウェットエッチングを必要とする。さらに、特に炭化珪素結晶においては、ウェットエッチングを実施できるエッチング液がそもそも存在しないから、前記ドライエッチングに依存するしかない。前記ドライエッチングで発生する問題点は、以下の方法で回避するしかなく、代替手段がないのが現状である。
【００１７】
ドライエッチングによるトレンチ８形成後、フッ酸系の溶液により酸化物系残さ１０の大部分は除去されるが、アモルファス状炭化珪素１１やパーティクル１４などは十分除去される保証はない。また、純水洗浄と乾燥の過程で、純水中に溶け込んでいる溶存酸素や、水分子そのものがもつ酸素原子の一部が炭化珪素と反応し、再び酸化物系残さ１０を形成してしまい、乾燥後もこれらがトレンチ内壁９に付着したまま残ってしまう問題（前者の問題とする）がある。とりわけ、トレンチ終端部はスピン乾燥時に遠心力によって水滴やパーティクル１４が集まりやすいので、汚染の問題は深刻である。これらの問題は、トレンチサイズが微細化し、特に平面パターンがストライプ状トレンチにおいて幅が１μｍを下回る場合、深刻になってくる。また、平面パターンが格子状のトレンチにおいては、各トレンチが終端部の集合体のようなものであるから、単位面積あたりに存在するトレンチ終端部の数を比較すると、ストライプ状パターンに対して２桁〜３桁も高密度で終端部が存在することになり、やはり問題（後者の問題とする）は深刻である。この様子をミクロな視点からトレンチの要部を拡大した斜視図を前記図３に示す。
【００１８】
ところで、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴにおいては、現在知られている中で最も高いチャネル移動度を与える面方位は（０３−３８）面であることが知られている。そこで、ＵＭＯＳＦＥＴの構成としては、図４に示すように、主面を（１１−２０）面とする４Ｈ−六方晶炭化珪素結晶において（０３−３８）面またはその等価な面を側面とするトレンチ８を形成し、前記（０３−３８）面をＭＯＳチャネルとして使用するため、トレンチ８の平面パターンは図４に示すような格子状とするのが望ましい。しかし、この場合、前述のトレンチ内部汚染問題のうち、後者の問題（終端部が高密度に存在すること）により、トレンチ８内部の各種汚染が深刻という問題がある。図４（ａ）は炭化珪素結晶の（１１−２０）面に格子状トレンチ８を形成した平面パターンを示し、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図を示す。同図（ａ）で矢印で示す方向は面方向を、○に点は紙面に垂直の結晶面方向をそれぞれ示す。
【００１９】
前記図３において、パーティクル１４のサイズは０．０１μｍ程度〜０．１μｍ程度がほとんどで、例外的に大きいものでも１μｍ未満と考えられるが、図３ではすべての汚染要因を誇張して大きめに示してある。また、パーティクル１４は酸化物系残さ１０の下にもぐる場合もあるし、上に乗る場合もあるので、これら両方の場合に対応できる表面洗浄技術でなければならない。
前記図３は、トレンチが形成されたウエハ（半導体基板）に対するフッ酸洗浄、純水洗浄、犠牲酸化、プラズマエッチャーやＣＤＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）による表面処理などの従来から知られている先端技術を駆使しても、これ以上の清浄さを得ることが難しく、従来の表面処理技術の限界でもあった。従って、この状態のままトレンチ内壁９に、次の工程であるゲート酸化膜を形成せざるを得なかったのである。このことが、トレンチＭＯＳ構造を有する炭化珪素半導体装置におけるゲート酸化膜の耐圧や信頼性を低下させる要因となっていたのである。
【００２０】
トレンチ８の形成およびフッ酸系の溶液による洗浄後、トレンチ内壁９をダメージ除去のため、等方性のプラズマエッチャーなどにより軽いエッチングをかけることも好ましい。しかし、このようなダメージ除去と同等かそれ以上の効果が、本発明にかかる、以下に述べる気相反応炉での表面処理工程で得られるので、ここでは前記ダメージ除去の工程を抜いて実施することもできる。
本実施例１では、前記図２の要部断面図に示すトレンチ８が、前記図４のように平面パターンにおいて格子状に多数形成された炭化珪素基板１を、気相反応炉（図示せず）に導入する。気相反応炉は、炉体は石英管などの汚染の少ない物質でできており、該炉体の内部には断熱材を介してグラファイト製のサセプターが備えてあり、ガス導入・排出口を持ち、炉体の外部からグラファイトサセプターを高周波電磁加熱するためのＲＦコイルが備えられているものとする。
【００２１】
この反応炉を使って、以下に述べる気相表面処理工程（（ａ）〜（ｅ））のいずれか、または複数を組み合わせ、トレンチ内壁９を表面処理し、パーティクルや酸化物系残さを除去する。
なお、以下に記載の数値のうち、反応炉への各種ガス供給流量（単位ＳＬＭ、ｓｃｃｍなどで表示）は、炉の体積や形状によって最適値が変動するので、一例の流量にすぎず、これらに限定されるものではない。
気相表面処理工程（ａ）−ウエハ温度を１５００℃以上とし、反応炉はたとえば５０〜２００Ｔｏｒｒ程度の減圧の水素雰囲気とし、１０ＳＬＭの水素を常時供給しながら、水素とＳｉＣとの反応により、表面領域を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする。このとき、炭化珪素表面はエッチングを受けると同時に水素終端されるため、次に炉から出してゲート酸化膜を形成する際、他の汚染元素が付着して新たな界面準位を作ることを防ぐことができる。
【００２２】
気相表面処理工程−（ｂ）ウエハ温度を１５００℃以上とし、反応炉はたとえば５０〜２００Ｔｏｒｒ程度の減圧の水素雰囲気とし、１０ＳＬＭの水素をベースとして常時供給しながら、これにＨＣｌを１〜１００ｓｃｃｍ添加し、水素とＳｉＣおよび、ＨＣｌとＳｉＣとの反応により、表面領域を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする。このとき、炭化珪素表面はＨＣｌによる激しいエッチングと、水素によるエッチングとを受けると同時に水素終端されるため、次に炉から出してゲート酸化膜を形成する際、他の汚染元素が付着して新たな界面準位を作ることを防ぐことができる。ただし、ダングリングボンドの一部は、反応性の強いハロゲン元素であるＣｌによって終端される場合もあるので、ウェハ温度やＨＣｌの添加量を制御するように注意が必要である。
気相表面処理工程（ｃ）−ウエハ温度を１５００℃以上とし、反応炉はたとえば５０〜２００Ｔｏｒｒ程度の減圧の水素雰囲気とし、１０ＳＬＭの水素をベースとして常時供給しながら、これにＣ３Ｈ８を１〜１０ｓｃｃｍ添加し、水素とＳｉＣの反応によるエッチングにＣ３Ｈ８でブレーキをかけ、ややエッチング速度を落としながら、表面領域を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする。このとき、炭化珪素表面は水素のみによる通常のエッチングと比較して、緩慢なエッチングを受けるため表面の平坦性を維持しやすい。同時に水素終端されるため、次に炉から出してゲート酸化膜を形成する際、他の汚染元素が付着して新たな界面準位を作ることを防ぐことができる。
【００２３】
気相表面処理工程（ｄ）−ウエハ温度を１５００℃以上とし、反応炉はたとえば５０〜２００Ｔｏｒｒ程度の減圧の水素雰囲気とし、１０ＳＬＭの水素をベースとして常時供給しながら、これにＳｉＨ４を１〜３０ｓｃｃｍ添加し、水素とＳｉＣの反応によるエッチングにＳｉＨ４でブレーキをかけ、ややエッチング速度を落としながら、表面領域を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする。このとき、炭化珪素表面は水素のみによる通常のエッチングと比較して、緩慢なエッチングを受けるため表面の平坦性を維持しやすい。同時に水素終端されるため、次に炉から出してゲート酸化膜を形成する際、他の汚染元素が付着して新たな界面準位を作ることを防ぐことができる。
気相表面処理工程（ｅ）−ウエハ温度を１５００℃以上とし、反応炉はたとえば５０〜２００Ｔｏｒｒ程度の減圧の水素雰囲気とし、１０ＳＬＭの水素をベースとして常時供給しながら、これにＣ３Ｈ８およびＳｉＨ４をそれぞれ１〜３０ｓｃｃｍ添加し、水素とＳｉＣの反応によるエッチングと、Ｃ３Ｈ８およびＳｉＨ４によるエピタキシャル成膜との競合関係を作り、エッチング速度がエピタキシャル成膜速度をやや上回るようにし、エッチング速度を落としながら、表面領域を数ｎｍ〜０．１μｍ程度エッチングする。このとき、炭化珪素半導体基板表面は水素のみによる通常のエッチングと比較して、緩慢なエッチングを受けるため表面の平坦性を維持しやすい。同時に水素終端されるため、次に炉から出してゲート酸化膜を形成する際、他の汚染元素が付着して新たな界面準位を作ることを防ぐことができる。
【００２４】
本実施例１においては、以下の要領で表面処理を行うものとする。まず、はじめに前記気相表面処理工程（ａ）を、以下の条件で適用する。
水素流量を１０ＳＬＭ、反応炉内圧力を１２０Ｔｏｒｒの減圧、ウエハ温度を１８００℃とする。このとき、炭化珪素半導体基板と気相水素との間でエッチング反応が起こり、エッチング速度は約２０〜３０μｍ／時間に達する。ここで、トレンチ内壁９のエッチング厚さは数１０ｎｍ〜０．１μｍ程度が適当であるから、処理時間は１〜２０秒程度とする。
このエッチング速度がやや速すぎる場合は、ウエハ温度を１７００℃とする。このとき、上記と同じく炭化珪素と気相水素との間でエッチング反応が起こるが、エッチング速度は約５〜１０μｍ／時間にとどまる。この場合、前述と同様にトレンチ内壁のエッチング厚さを数１０ｎｍ〜０．１μｍ程度にするため、処理時間は１０〜７０秒程度とする。
【００２５】
前記気相表面処理工程（ａ）におけるトレンチ８およびトレンチ側壁９の状態の変化を、トレンチの要部断面図５−１〜図５−３に示す。図５−１（ａ）は初期状態である。水素の還元効果およびエッチング効果により、図５−１（ｂ）に示すように酸化物系残さ１０およびアモルファス炭化珪素層１１は除去され、薄くなっていく。アモルファス炭化珪素層１１の一部は再度結晶化して、炭化珪素結晶に戻るものもある。さらに処理が進むと、図５−２（ｃ）に示すようにアモルファス炭化珪素層１１は消失し、酸化物系残さ１０およびパーティクル１４に対して下地の炭化珪素結晶にサイドエッチが入って、除去されていく。最終的には図５−２（ｄ）のようになる。しかし、表面ラフネス１３やサイドエッチの痕跡がトレンチ側壁９の表面に凸凹として残ってしまう。この図５−２（ｄ）におけるトレンチ内の残存凹凸を無くして平滑なトレンチ内面の状態（図５−３（ｅ））とするために、前記気相表面処理工程（ｅ）を以下の条件で適用する。
【００２６】
水素流量を１０ＳＬＭとし、これにＳｉＨ４を流量３ｓｃｃｍとＣ３Ｈ８を流量１．５ｓｃｃｍを添加して供給し、反応炉内圧力を８０Ｔｏｒｒの減圧、ウエハ温度を１７５０℃とする。このとき、炭化珪素と気相水素との間でエッチング反応が起こると同時に、ＳｉＨ４とＣ３Ｈ８とによるエピタキシャル成膜も同時に起こり、両者が競合する結果エッチング速度０、成膜速度０の状況が発生する。この状態を３０秒〜３００秒程度維持する。
前記気相表面処理工程（ｅ）は、結晶表面の数原子層に注目すると、水素のエッチング効果により除去される過程と、エピタキシャル成膜効果により新たな原子が炭化珪素結晶に固着される過程とが繰り返し起こり、結果的に炭化珪素結晶は表面領域の数原子層だけが盛んに入れ替わり、前進も後退もしない。
【００２７】
その様子を、原子の堆積状況を示す原子レベルの結晶断面模式図で図６に示す。この実施例１では、結晶構造は４Ｈの六方晶を想定しているが、簡略のため、図６では結晶格子を四角で表わしている。図６（ａ）は、表面に凹凸が形成されている状態を示す。同図（ｂ）は表面がエッチングされて、凹凸が小さくなった状態を示す。同図（ｃ）はエピタキシャル成膜により、前記（ｂ）の凹部が埋められて平坦になった状態を示す。しかし、図６の（ａ）から（ｃ）に示すように、エッチングプロセスとエピタキシャル成膜プロセスがそれぞれ１回だけ行われて平坦化が図られるわけではなく、実際には各プロセスが同時進行で何度も繰り返し行われる。エッチング反応は、結合ボンドの弱い凹凸部を優先的に除去していく。一方、エピタキシャル成膜は、２次元核生成しない条件では、ステップのキンクが優先的に成長していく。この繰り返しで、一定の膜厚を保ったまま、削る効果と埋める効果で平坦になっていく。そうではなく、エピタキシャル成膜を含まない単なるエッチングのみとすると、平坦化できたとしても膜厚も薄くなってしまう弊害が生じる。以上説明したように、前記気相表面処理工程（ｅ）は、要するに、前記図６に示す、エッチングプロセスとエピタキシャル成膜プロセスによる表面平坦化処理をする工程と言うことができる。その効果は次の３つに纏められる。
【００２８】
第１に、表面領域の数原子層を盛んに入れ換えることにより、トレンチエッチング工程で発生する結晶ダメージ１２を回復することができる。
第２に、結晶の主面およびトレンチ側壁９においては、よりダングリングボンドが少ない状態で安定化しようとする効果が奏され、表面ラフネス１３が解消され、原子層レベルで平坦な面が得られる。
第３に、トレンチ８の開口部や底部における直角の部位や曲率の高い部位においては、前記第２の効果に述べたのと同じように、結晶全体のダングリングボンドを減らそうとする効果が奏される結果、曲面よりも平面に近づこうとするため、曲率を低減する方向に形状が変化する。従って、トレンチ８の開口部や底部における直角の部位や曲率の高い部位に限れば、前記気相表面処理工程（ｅ）における前記表面平坦化処理によってマクロな形状変化が起こり、曲率を低減し、より丸い形状になる。
【００２９】
このことは、シリコン結晶において先行文献の水島一郎他「シリコンの表面マイグレーションを利用した大面積ＳＯＮ  （Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｎｏｔｈｉｎｇ）の形成」，応用物理Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．１０，（２０００）ｐｐ．１１８７−１１９１に記載されている。また、窒化ガリウム結晶の場合では、同文献に記載されている特許文献の特開２００４−１１１７６６号公報が示している効果に類似しているが、これらの文献はいずれも、マストランスポートを利用している点で、前記実施例１とは異なる。
一方、前記気相表面処理工程（ｅ）による前記表面平坦化処理は擬似的な熱平衡状態、すなわちエッチング速度とエピタキシャル成膜速度とが相殺し、差し引き０になることを利用し、結晶の形状をより熱平衡形状に近づける結果として、結晶全体のダングリングボンドの合計を減らし、曲率の高い部位を緩和して丸くする効果を引き出している。
【００３０】
なお、前記気相表面処理工程（ｅ）における前記表面平坦化処理において、処理温度を１７５０℃から１８００℃に引き上げて、ＳｉＨ４およびＣ３Ｈ８の流量を増やすと、エッチング速度とエピタキシャル成膜速度がそれぞれ速くなって均衡を保ち続けるので、より短い処理時間で同等の効果を得ることができる。
一方、処理温度を１７５０℃から１７００℃に引き下げて、ＳｉＨ４およびＣ３Ｈ８の流量を減らすと、処理時間は逆に長くなるが、曲率などの形状制御性の時間管理が容易になる。このようにして、前記気相表面処理工程（ｅ）により、前述のように、図５−２（ｄ）の形状は図５−３（ｅ）に示すように平滑化されるのである。拡大図である図５−１〜図５−３に示すトレンチ８の前記表面平坦化処理による結果をマクロな視点で見た断面図で示すと、トレンチ８の形状が図２から図７の形状に変わるということである。
【００３１】
トレンチ内の前記表面平坦化処理の終了後、まずＳｉＨ４のみ供給を切り、毎秒１℃で１３００℃まで降温し、続いてＣ３Ｈ８の供給も切り、水素雰囲気のままさらに毎秒１℃で室温まで降ろす。降温時に、１３００℃までＣ３Ｈ８の供給を続ける理由は、降温中にも水素によるエッチング効果が残るため、このエッチング効果を緩和するためである。それでもエッチング効果の緩和が十分でない場合は、１６００℃程度まで、ＳｉＨ４の流量を絞りつつ供給を続けてもよい。
１３００℃から下への降温中は、炭化珪素結晶は水素のみの雰囲気にさらされるため、結晶表面におけるダングリングボンドは完全に水素で終端される。室温まで降温したのち、気相反応炉から取り出すと、クリーンルーム内の清浄な空気に触れ、自然酸化膜が形成されるが、この自然酸化膜は、上記の安定的に形成された水素終端表面を置き換えるものであるから、自然酸化膜の膜質も安定し、ウエハ間ばらつきやロット間ばらつきを生じにくく、プロセス安定性および信頼性の高い工程となる。
【００３２】
次に、トレンチ内壁９の表面に数ｎｍ〜０．１μｍ程度の厚さの犠牲酸化膜を形成し、これを除去する。犠牲酸化膜除去の際、フッ酸などの薬液が使われ、純水による水洗も行われる。従って、先に述べた汚染要因が再び入ってくることになる。しかし、気相反応炉において、１度は清浄表面が得られているから、汚染要因は前記犠牲酸化膜形成工程のみであり、それ以前の工程における累積的な汚染を引きずることは避けられる。また、犠牲酸化膜形成とその除去工程における汚染が顕著に見られる場合は、前記犠牲酸化膜形成工程を抜いてもよい。
続いて、トレンチ内壁９にゲート絶縁膜１５を形成する。炭化珪素ＭＯＳＦＥＴにおけるゲート絶縁膜の形成方法は、種々の方法を採用できるが、主に以下の４種類が考えられる。
（１）熱酸化によるゲート酸化膜の形成。
（２）アモルファスシリコンまたはポリシリコン薄膜を堆積し、これを酸化するゲート酸化膜の形成。
（３）ＨＴＯなどの堆積型の酸化膜によるゲート酸化膜の形成。
（４）酸化膜以外の、窒化珪素膜や強誘電体膜の形成によるゲート絶縁膜の形成。
【００３３】
本発明は、ゲート絶縁膜を形成する前の炭化珪素結晶の表面処理に係わるものであるから、ゲート絶縁膜の形成方法は前述の４種類のいずれでもよい。また、この後のドープドポリシリコンゲート電極１６の形成、第２ｐ＋領域１７の形成、層間絶縁膜１８の形成、ソース金属電極１９、ドレイン電極２０の形成などの工程は通常のよく知られたＵＭＯＳＦＥＴの製造工程と同じとすることができ、本発明に直接かかわるものではないから、説明を省略する。最終的なＵＭＯＳＦＥＴの完成時の要部断面図を図８に示す。
【実施例２】
【００３４】
前記実施例１において、トレンチエッチング工程により、前記図３に示すトレンチ８の要部拡大斜視図のようにパーティクル１４や酸化物系残さ１０が内部にある状態を得た段階の後に、前記トレンチ８内部のパーティクル１４や酸化物系残さ１０を除去するために行われるトレンチ側壁９に対する気相表面処理を、以下に示すように、異なる方法により、実施してもよい。まず、はじめに前記気相表面処理工程（ｂ）を以下の条件で適用する。
水素流量を１０ＳＬＭとし、これにＨＣｌを流量３ｓｃｃｍを添加して供給し、反応炉内圧力を１２０Ｔｏｒｒの減圧、ウエハ温度を１８００℃とする。このとき、炭化珪素結晶表面と水素およびＨＣｌとの間でエッチング反応が起こり、エッチング速度は約３５〜４０μｍ／時間に達する。ここで、トレンチ内壁９のエッチング厚さは数１０ｎｍ〜０．１μｍ程度が適当であるから、処理時間は１〜１０秒程度とする。
【００３５】
このエッチング速度がやや速すぎる場合は、ウエハ温度を１７００℃とすればエッチング速度は約１０〜１５μｍ／時間に、ウエハ温度を１５００℃とすれば、エッチング速度は約１〜２μｍ／時間まで落ちる。これらエッチング速度に合わせて、処理時間を調整すればよい。
このエッチング工程は、前記実施例１における前記気相表面処理工程（ａ）に比較すると、ＨＣｌによって、より激しいエッチング効果が得られ、酸化物系残さ１０、アモルファス状炭化珪素１１、パーティクル１４に対する除去効果が強くなる。その反面、反応性が強いため、原子層レベルで見ると、表面を荒れさせる危険がある。その修復のためにも、以下に述べる前記気相表面処理工程（ｅ）を追加する必要が生じる。次に、前記気相表面処理工程（ｅ）を以下の条件で適用する。
【００３６】
水素流量を１０ＳＬＭとし、これにＳｉＨ４を流量３ｓｃｃｍとＣ３Ｈ８を流量１．５ｓｃｃｍを添加して供給し、反応炉内圧力を８０Ｔｏｒｒの減圧、ウエハ温度を１７５０℃とする。このとき、炭化珪素と気相水素との間でエッチング反応が起こると同時に、ＳｉＨ４とＣ３Ｈ８とによるエピタキシャル成膜も同時に起こり、両者が競合する結果エッチング速度０、成膜速度０の状況が発生する。この状態を３０秒〜３００秒程度維持する。
実施例２による効果は、前記実施例１で述べたものと同等である。この後の降温工程も、前記実施例１に準拠して行えばよい。
【実施例３】
【００３７】
本発明は、炭化珪素結晶の表面にＭＯＳ構造を形成する際の、表面前処理工程にかかわるものであるから、前記実施例１、２に述べたようなトレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴだけに適用が限られるものではない。プレーナーゲート型ＭＯＳＦＥＴにおいても、ＭＯＳ構造の形成前に、同様の前処理を行えば、該ＭＯＳ構造の高品質化ができる。ただし、一般にプレーナーゲート型の場合は、トレンチゲート型に比べて、図３に示したような汚染要因は少ないか、または種類によっては存在しない場合もある。たとえば、アモルファス状炭化珪素層１１は、トレンチエッチングの際に生成されやすいものであり、トレンチエッチング工程を含まないプレーナーゲート型ＭＯＳＦＥＴにおいては、通常は存在しないと思われる。また、結晶ダメージ１２も前述と同様に存在しないと思われるが、プレーナーゲート型の場合でも、結晶基板１に起因する結晶欠陥を表面まで引きずる可能性は否定できず、密度は圧倒的に低いが、まったく存在しないとは言えないので、本発明が効果を奏する場合も充分に考えられる。
【００３８】
プレーナーゲート型ＭＯＳＦＥＴの表面処理においては、前記気相表面処理工程（ａ）〜（ｄ）のいずれかのエッチング工程を緩慢に実施することによって数１０ｎｍのエッチングをかけた後、前記気相表面処理工程（ｅ）で表面領域の結晶品質を回復させるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明炭化珪素半導体装置の製造方法にかかる半導体基板を示す要部断面図である。
【図２】本発明炭化珪素半導体装置の製造方法にかかるトレンチエッチング工程前の半導体基板を示す要部断面図である。
【図３】トレンチ内部における酸化物系残さを示す要部拡大斜視図である。
【図４】（ａ）は炭化珪素半導体基板の格子状トレンチの要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５−１】本発明にかかるトレンチ内部における酸化物系残さの除去過程を示す要部断面図である（その１）。
【図５−２】本発明にかかるトレンチ内部における酸化物系残さの除去過程を示す要部断面図である（その２）。
【図５−３】本発明にかかるトレンチ内部における酸化物系残さの除去過程を示す要部断面図である（その３）。
【図６】原子の堆積状況を原子レベルで示す結晶断面模式図であり、（ａ）は結晶表面の凹凸、（ｂ）は凹凸を小さくするエッチング後、（ｃ）は凹凸を埋めるエピタキシャル成膜後、のそれぞれ結晶断面模式図である。
【図７】図２のマクロ的断面図である。
【図８】本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法により作成されるトレンチＭＯＳ炭化珪素半導体基板の断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…        ｎ＋型炭化珪素基板     
２…        ｎ−型炭化珪素領域
３…        ｎ＋型炭化珪素領域     
４…        ｐ型炭化珪素領域（ｐ−ｗｅｌｌ）
５…        ｎ＋型ソース領域       
６…        保護酸化膜
７…        Ａｌマスク                    
８…        トレンチ
９…        トレンチ側壁           
１０…      酸化物系残さ
１１…      アモルファス状炭化珪素 
１２…      結晶ダメージ
１３…      表面ラフネス           
１４…      パーティクル
１５…      ゲート絶縁膜（多くの場合、酸化膜）
１６…      ドープされたポリシリコンなどの、ゲート電極材料
１７…      第２ｐ＋領域                  
１８…      層間絶縁膜
１９…      ソース金属電極         
２０…      ドレイン金属電極。
【図１】
2006351744.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
2006351744.tif 000007
【図５−２】
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【図５−３】
2006351744.tif 000009
【図６】
2006351744.tif 000010
【図７】
2006351744.tif 000011
【図８】
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