(57)【要約】【課題】キャリア移動度を十分に向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】トレンチゲート構造を備えたＳｉＣ半導体装置は、六方晶ＳｉＣの（０００１）面を表面とする基板に、［０００１］方向を深さ方向として形成されているトレンチを備えている。トレンチの内壁面が略（１−１００）面である。内壁面の一部には半導体装置のチャネルが形成されている。［１１−２０］方向に沿って内壁面を観測したとき、または、［０００１］方向に沿って内壁面を観測したときに、内壁面には、面方位が（１−１００）面であるテラス面と、隣接するテラス面の間の段差を構成するステップ面と、が交互に現れる構造を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチゲート構造を備えたＳｉＣ半導体装置であって、
六方晶ＳｉＣの（０００１）面を表面とする基板に、［０００１］方向を深さ方向として形成されているトレンチを備えており、
前記トレンチの内壁面が略（１−１００）面であり、
前記内壁面の一部には前記半導体装置のチャネルが形成されており、
［１１−２０］方向に沿って前記内壁面を観測したとき、または、［０００１］方向に沿って前記内壁面を観測したときに、前記内壁面には、面方位が（１−１００）面であるテラス面と、隣接する前記テラス面の間の段差を構成するステップ面と、が交互に現れる構造を備えていることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記テラス面の［１１−２０］方向または［０００１］方向の幅が２．５ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
隣接する前記テラス面の間の高低差であるステップ高さが０．２５ｎｍ以上である、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記内壁面は、（１−１００）面に対して−６０度から６０度の範囲内でオフ角を有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トレンチゲート構造を備えたＳｉＣ半導体装置では、オン抵抗の低減が要求されている。オン抵抗を低減するための一つの方策として、チャネルのキャリア移動度を向上させることが挙げられる。キャリア移動度を向上させるためには、チャネルとゲート酸化膜との界面において、ラフネスや界面準位に起因するキャリア散乱を抑制する必要がある。例えば特許文献１〜３の技術では、トレンチ内壁において、加工ダメージを修復することや、平坦化を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−５３５９５号公報
【特許文献２】特許第４１２３９６１号
【特許文献３】特許第５５８９２６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜３の何れにおいても、チャネルとゲート酸化膜との界面におけるキャリア散乱の抑制を十分に行うことが困難である。本明細書は、キャリア移動度を十分に向上させた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示する半導体装置の一実施形態は、トレンチゲート構造を備えたＳｉＣ半導体装置である。六方晶ＳｉＣの（０００１）面を表面とする基板に、［０００１］方向を深さ方向として形成されているトレンチを備えている。トレンチの内壁面が略（１−１００）面である。内壁面の一部には半導体装置のチャネルが形成されている。［１１−２０］方向に沿って内壁面を観測したとき、または、［０００１］方向に沿って内壁面を観測したときに、内壁面には、面方位が（１−１００）面であるテラス面と、隣接するテラス面の間の段差を構成するステップ面と、が交互に現れる構造を備えている。
【０００６】
上記実施形態の半導体装置は、トレンチの内壁面に、（１−１００）面のテラス面と、隣接するテラス面の間の段差を構成するステップ面と、が交互に現れる構造を備える。（１−１００）面は、ＳｉＣの結晶において安定な面であり、原子レベルで平坦な面である。この面をチャネルに使用することができるため、伝導キャリアの散乱を抑制することが可能となり、高いチャネル移動度を実現できる。
【０００７】
テラス面の［１１−２０］方向または［０００１］方向の幅が２．５ｎｍ以上であってもよい。
【０００８】
隣接するテラス面の間の高低差であるステップ高さが０．２５ｎｍ以上であってもよい。
【０００９】
内壁面は、（１−１００）面に対して−６０度から６０度の範囲内でオフ角を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図２】４Ｈ−ＳｉＣの結晶構造を示す図である。
【図３】トレンチ３０Ｔの概略斜視図である。
【図４】トレンチ３０Ｔの内壁面をＡＦＭで観測したラインプロファイルである。
【図５】４Ｈ−ＳｉＣ結晶を（０００１）面からみた図である。
【図６】トレンチ３０Ｔａの概略斜視図である。
【図７】４Ｈ−ＳｉＣ単位セルにおけるａ面を示す図である。
【図８】面方位とキャリア移動度の関係を示す図である。
【図９】ａ面の表面構造を説明する図である。
【図１０】本実施形態に係るトレンチ内壁面のラインプロファイルである。
【図１１】従来技術に係るトレンチ内壁面のラインプロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（半導体装置１の構造）
図１の要部断面図に示されるように、半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴと称されるパワー半導体素子である。半導体装置１は、トレンチゲート型である。半導体装置１は、半導体基板１０、半導体基板１０の裏面を被覆するドレイン電極２２、半導体基板１０の表面を被覆するソース電極２４及び半導体基板１０の表層部に設けられているトレンチ型の絶縁ゲート部３０を備える。
【００１２】
半導体基板１０は、六方晶ＳｉＣを材料とする基板である。本実施形態では、４Ｈ−ＳｉＣを用いる場合を説明する。ｎ+型のドレイン領域１１、ｎ-型のドリフト領域１２、ｐ型のボディ領域１３、ｎ+型のソース領域１５を有する。ボディ領域１３は、ドリフト領域１２上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されている。ボディ領域１３は、絶縁ゲート部３０の側面に接する。ボディ領域１３は、半導体基板１０の表面を被膜するソース電極２４に接触する。ソース領域１５は、ボディ領域１３によってドリフト領域１２から隔てられている。
【００１３】
絶縁ゲート部３０は、ソース領域１５及びボディ領域１３を貫通してドリフト領域１２の一部に侵入するトレンチ３０Ｔ内に設けられている。絶縁ゲート部３０は、ゲート絶縁膜３２およびゲート電極３４を有する。ゲート電極３４の上面には、ソース電極２４との絶縁を確保するための絶縁膜３６が配置されている。ゲート絶縁膜３２は、酸化シリコンで構成されている。ボディ領域１３内の領域であって、ボディ領域１３とゲート絶縁膜３２との界面の近傍の領域には、チャネルＲ１１が形成されている。ゲート電極３４にしきい値電圧以上の正電圧が印加されると、チャネルＲ１１には反転層が形成され、半導体装置１はオン状態になる。
【００１４】
（４Ｈ−ＳｉＣの結晶構造）
図２を用いて、４Ｈ−ＳｉＣ単位セルの結晶面を説明する。図２に示すように、４Ｈ−ＳｉＣの結晶構造は、六方晶系である。＜０００１＞軸（ｃ軸ともいう）は六角柱の軸方向に伸びている。＜０００１＞軸を法線とする面（すなわち六角柱の頂面）が（０００１）面である。（０００１）面は、Ｓｉ面またはｃ面ともいう。［０００１］軸に垂直であり、かつ（０００１）面の真上から見た場合において互いに１２０度で交差する方向がそれぞれ、ａ１軸［２−１−１０］、ａ２軸［−１２−１０］およびａ３軸［−１−１２０］である。また、（１−１００）面がｍ面である。（１−１００）面は、［１−１００］軸を法線とする面である。
【００１５】
（トレンチ３０Ｔの構造）
図３に、トレンチ３０Ｔの概略斜視図を示す。トレンチ３０Ｔは、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面を表面とする半導体基板１０に、［０００１］方向を深さ方向とし、［１１−２０］方向に延びるように形成されている。トレンチ３０Ｔの内壁面は、（１−１００）面（すなわちｍ面）である。トレンチ３０Ｔの内壁面の一部には、半導体装置１のチャネルＲ１１が形成されている。
【００１６】
なお、トレンチ３０Ｔの内壁面は、略（１−１００）面であってもよい。すなわち内壁面は、（１−１００）面に対して−６０度から６０度の範囲内でオフ角を有していてもよい。
【００１７】
図４に、トレンチ３０Ｔの内壁面をＡＦＭで観測した結果を示す。図４は、［０００１］方向のラインプロファイルを示している。すなわち、基板表面に垂直な方向に走査した場合のプロファイルである。換言すると、縦型の半導体装置１において電流が流れる方向に沿って測定したプロファイルである。図４に示すように内壁面は、テラス面とステップ面とが交互に現れる構造を備えている。テラス面は、面方位が｛１−１００｝である面である。ステップ面は、隣接するテラス面の間の段差を構成する面である。具体的には、図４の左から右側へ向かって、テラス面Ｔ１（幅１０３ｎｍ）、ステップ面Ｓ１（幅９．０ｎｍ）、テラス面Ｔ２（幅８１ｎｍ）、ステップ面Ｓ２（幅９．７ｎｍ）が、交互に存在している。また、ステップ面Ｓ１の高さＨ１は０．２９ｎｍ、ステップ面Ｓ２の高さは０．３８ｎｍである。
【００１８】
図５を用いて、結晶構造から考察したテラス幅およびステップ高さを説明する。図５は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶を（０００１）面からみた図である。図５の左右方向が、［１１−２０］方向（すなわち、トレンチ３０Ｔの長手方向）である。図５の上下方向が、［１−１００］方向（すなわち、トレンチ３０Ｔの幅方向）である。図５中、黒丸がシリコン原子、白丸が炭素原子を示している。図５に示すように、ステップ面の高さの最小値Ｈｍｉｎの理論値は、０．２６６ｎｍである。最小値Ｈｍｉｎの値は、図４のステップ面Ｓ１の高さＨ１（０．２９ｎｍ）と整合している。
【００１９】
図５に示すように、テラス面の幅の最小値の理論値は、ａ軸長Ｌａ（０．３０７ｎｍ）である。一方、本発明者らは、実験によって、テラス面の幅の好適な範囲を探した。その結果、テラス面の［１１−２０］方向または［０００１］方向の幅が２．５ｎｍ以上であることが、半導体装置１の特性上好ましいと考えられることが分かった。
【００２０】
（効果）
トレンチ３０Ｔの内壁面は、（１−１００）面のテラス面と、段差を構成するステップ面と、が交互に現れる構造を備える。（１−１００）面は、ＳｉＣの結晶において安定な面であり、原子レベルで平坦な面である。この面を半導体装置１のチャネルＲ１１（図１参照）に使用することができるため、伝導キャリアの散乱を抑制することが可能となる。高いチャネル移動度を実現できる多め、半導体装置１のオン抵抗を低減することが可能となる。
【００２１】
（比較例）
図６に、比較例として、トレンチ３０Ｔａの概略斜視図を示す。トレンチ３０Ｔａは、内壁面がａ面（すなわち（１１−２０）面）であるトレンチである。また図７に、４Ｈ−ＳｉＣ単位セルにおけるａ面を示す。（１１−２０）面がａ面である。（１１−２０）面は、［１１−２０］軸を法線とする面である。
【００２２】
図８に、六方晶ＳｉＣの面方位とキャリア移動度の関係を示すデータを示す。図８から分かるように、ｍ面のキャリア移動度は、ａ面のキャリア移動度に対して１２％程度高い。すなわち、トレンチの内壁面は、ａ面よりもｍ面を用いることが好ましい。
【００２３】
ｍ面のキャリア移動度がａ面のキャリア移動度よりも高くなるモデルを説明する。図９を用いて、結晶構造から考察したａ面の表面構造を説明する。図９は、４Ｈ−ＳｉＣ結晶を（０００１）面からみた図である。図９の左右方向が、［１−１００］方向（すなわち、トレンチ３０Ｔａの長手方向）である。図９の上下方向が、［１１−２０］方向（すなわち、トレンチ３０Ｔａの幅方向）である。図９に示すように、トレンチ内壁面がａ面で形成される場合には、ｍ面が交互に現れる構造となる。従って、図５で示すような、ステップ面とテラス面が明瞭に交互に現れる構造とはならないと考えられる。明瞭なテラス面が存在しないため、前述したように原子レベルで平坦な面が形成できない。よって、ａ面のキャリア移動度はｍ面のキャリア移動度よりも低くなると考えられる。
【００２４】
（測定結果例）
図１０および図１１に、トレンチ３０Ｔの内壁面（ｍ面）のＡＦＭ観測結果を示す。図１０は、本実施形態に係る内壁面の測定結果である。図１１は、従来技術に係る内壁面の測定結果である。図１０および図１１は、トレンチ３０Ｔの内壁面における、［１１−２０］方向のラインプロファイルを示している。図１０に示すように、本実施形態に係るトレンチ３０Ｔの内壁面は、テラス面とステップ面とが交互に現れる構造を備えている。一方、図１１に示すように、従来技術に係るトレンチ３０Ｔの内壁面は、テラス面とステップ面とが交互に現れる構造とはならない。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００２６】
（変形例）
図４では、［０００１］方向において、テラス面とステップ面とが交互に現れる構造を説明した。しかし、テラス面とステップ面とが交互に現れる方向は、図４で説明した［０００１］方向に限られない。ｍ面上であれば、いずれの方向であってもよい。例えば、［１１−２０］方向においてテラス面とステップ面とが交互に現れる構造であってもよい。
【００２７】
トレンチ３０Ｔの側面は、半導体基板１０の表面に対してテーパを有していてもよい。
【００２８】
六方晶ＳｉＣは４Ｈ−ＳｉＣに限られず、２Ｈ−ＳｉＣや６Ｈ−ＳｉＣであってもよい。
【００２９】
４Ｈ−ＳｉＣは、六方晶ＳｉＣの一例である。
【符号の説明】
【００３０】
１：半導体装置、１０：半導体基板、１３：ボディ領域、１５：ソース領域、３０：絶縁ゲート部、３０Ｔおよび３０Ｔａ：トレンチ、３２：ゲート絶縁膜、３４：ゲート電極、Ｒ１１：チャネル
【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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