(57)【要約】【課題】高耐圧を有する炭化珪素半導体装置を提供する。【解決手段】炭化珪素半導体装置は、主面ＭＰを有する炭化珪素半導体層１００を備え、主面ＭＰには、底部ＢＴと主面ＭＰに対して傾斜する側壁ＳＷとを有するトレンチＴＲが設けられ、さらに底部ＢＴおよび側壁ＳＷの各々を覆うゲート絶縁膜９１と、少なくともゲート絶縁膜９１上に設けられたゲート電極９２と、主面ＭＰ上に設けられ、トレンチＴＲの内部に突出した部位を有する上部絶縁膜６０と、を備える。【選択図】図１
2015082632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する炭化珪素半導体層を備え、
前記主面には、底部と前記主面に対して傾斜する側壁とを有するトレンチが設けられ、さらに
前記底部および前記側壁の各々を覆うゲート絶縁膜と、
少なくとも前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
前記主面上に設けられ、前記トレンチの内部に突出した部位を有する上部絶縁膜と、を備える、炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
前記上部絶縁膜の厚さは、前記ゲート絶縁膜のうち前記側壁を覆う部分の厚さよりも厚い、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
前記ゲート電極の上端部は、前記トレンチの深さ方向において、前記上部絶縁膜の上部表面と同じ深さに位置するか、または前記深さ方向において前記上部表面よりも下に位置する、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
前記側壁は、前記炭化珪素半導体層の｛０００１｝面に対して５０°以上７０°以下の傾斜角を有する、請求項１〜請求項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】
前記側壁には、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面を含む表面が設けられている、請求項１〜請求項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】
主面を有する炭化珪素半導体層を準備する工程と、
前記主面上に開口部を有する上部絶縁膜を形成する工程と、
前記上部絶縁膜をマスクとして、前記開口部下の前記炭化珪素半導体層の領域に、底部と前記主面に対して傾斜する側壁とを有するトレンチを形成する工程と、を備え、
前記上部絶縁膜は前記トレンチの内部に突出した部位を有し、さらに
前記上部絶縁膜が残存している状態で、前記底部および前記側壁の各々を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
少なくとも前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ゲート電極を形成する工程は、前記ゲート電極が前記上部絶縁膜の上部表面上にまで延在するように前記ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極のうち前記上部絶縁膜の前記上部表面上に延在する部分を除去する工程と、を含む、請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記ゲート電極を形成する工程は、低圧化学気相成長法によって前記ゲート電極を形成する工程を含む、請求項６または請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記上部絶縁膜を形成する工程において、前記上部絶縁膜は、前記上部絶縁膜の厚さが前記ゲート絶縁膜のうち前記側壁を覆う部分の厚さよりも厚くなるように形成される、請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記トレンチを形成する工程は、熱エッチングにより前記炭化珪素半導体層をエッチングする工程を含む、請求項６〜請求項９のいずれか１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】
本発明は炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（以下「ＳｉＣ」とも記す）は、次世代のパワー半導体装置用の材料として有望視されている。特に近年は、パワースイッチング素子として有力であるＳｉＣを用いたトレンチ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）の開発が盛んに行なわれている（たとえば、特許第５２０９１５２号公報（特許文献１）参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２０９１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
トレンチ型ＭＯＳＦＥＴは、プレーナ型に比べ単位面積当たりのセル個数を高密度に敷き詰めることができるため低抵抗化に有利である。しかしその反面、トレンチ構造に起因した高電界の発生により耐圧が低下するという課題を有している。
【０００５】
従来、トレンチ型ＭＯＳＦＥＴにおいてトレンチの底部は高電界が印加されやすい部分として知られている。そして、この部分のゲート絶縁膜を厚く形成することにより耐圧の改善が図られてきた。
【０００６】
また近年では、トレンチ側壁の上端にも高電界が印加されやすい部分が存在することが明らかになってきている。図２３を参照してこの部分について説明する。図２３は参考例としてのトレンチ型ＭＯＳＦＥＴの構成の一例を示す断面図である。図２３に示すように、参考例の炭化珪素半導体装置９０１は、炭化珪素半導体層９００の主面ＭＰとトレンチＴＲの側壁ＳＷとの接続部に、ゲート絶縁膜１９１に向かって突出する上部角部ＣＮを含んでいる。ここで上部角部ＣＮにはゲート電極１９２／ゲート絶縁膜１９１／ｎ＋型ＳｉＣ層１８３からなるＭＯＳ構造が形成されている。そして上部角部ＣＮには、ゲート駆動時に１５〜２０Ｖ程度の電圧が印加される。ゲート絶縁膜１９１の厚さは典型的には５０〜６０ｎｍの厚さであるため、前述の電圧が印加されると、上部角部ＣＮに接するゲート絶縁膜１９１には３〜４ＭＶ／ｃｍという電界が印加されることとなる。
【０００７】
さらに図２３のような構造ではゲート電極１９２が上部角部ＣＮを覆うように配置されている。したがって、上部角部ＣＮには複数の方向よりゲート電極１９２からの電界が集中することになる。
【０００８】
このように上部角部ＣＮに局所的に電界が集中すると、その部分と接するゲート絶縁膜１９１にＦＮ（Fowler-Nordheim）トンネル電流と呼ばれるリーク電流が発生して、ゲート絶縁膜１９１の寿命を低下させる。特許文献１では上部角部ＣＮの形状を丸みを帯びた形状とすることにより、当該部分に印加される電界を緩和する方法が提案されている。しかしながら、炭化珪素半導体装置には更なる耐圧の向上が望まれており、この点においては未だ改善の余地が残されている。
【０００９】
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高耐圧を有する炭化珪素半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、主面を有する炭化珪素半導体層を備え、主面には、底部と主面に対して傾斜する側壁とを有するトレンチが設けられ、さらに底部および側壁の各々を覆うゲート絶縁膜と、少なくともゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、主面上に設けられ、トレンチの内部に突出した部位を有する上部絶縁膜と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、高耐圧を有する炭化珪素半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の構成の一例を概略的に示す断面図であり、図２の線Ｉ−Ｉに沿う部分断面図である。
【図２】図１の炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素半導体層の形状を概略的に示す部分斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図６】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図７】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図８】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図９】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造過程の一部を概略的に示す部分断面図である。
【図１３】炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素半導体層の表面の微細構造を概略的に示す部分断面図である。
【図１４】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１５】図１４の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに沿う（１１−２０）面の結晶構造を示す図である。
【図１６】図１３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１７】図１３の複合面を（０１−１０）面から見た図である。
【図１８】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である。
【図１９】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である。
【図２０】図１３の変形例を示す図である。
【図２１】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図２２】本発明の一実施形態における炭化珪素半導体装置の構成の変形例を概略的に示す部分断面図である。
【図２３】参考例の炭化珪素半導体装置の構成の一例を概略的に示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係わる実施形態についてさらに詳細に説明する。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符号を付し、その説明は繰り返さない。また本明細書中の結晶学的な記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面｛｝でそれぞれ示すものとする。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すことで表現するものとする。
【００１４】
［本願発明の実施形態の説明］
まず、本願発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）の概要を以下の（１）〜（１０）に列記して説明する。
【００１５】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行なったところ、炭化珪素半導体層にトレンチを形成する際に用いられるマスク層を利用することにより、上部角部に印加される電界を大幅に緩和できるとの知見を得、該知見に基づき更に検討を重ねることにより本発明を完成させるに至った。すなわち、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置は以下の構成を備える。
【００１６】
（１）本実施形態の炭化珪素半導体装置は、主面ＭＰを有する炭化珪素半導体層１００を備え、主面ＭＰには、底部ＢＴと主面ＭＰに対して傾斜する側壁ＳＷとを有するトレンチＴＲが設けられ、さらに底部ＢＴおよび側壁ＳＷの各々を覆うゲート絶縁膜９１と、少なくともゲート絶縁膜９１上に設けられたゲート電極９２と、主面ＭＰ上に設けられトレンチＴＲの内部に突出した部位を有する上部絶縁膜６０と、を備える。
【００１７】
前述のように、主面ＭＰとトレンチＴＲの側壁ＳＷとの接続部には高電界が印加されやすい部分である上部角部ＣＮが存在する。本実施形態の炭化珪素半導体装置では、主面ＭＰ上にトレンチＴＲの内部に突出した部位を有する上部絶縁膜６０が設けられ、ゲート電極９２が上部角部ＣＮから遠ざけられている。すなわち上部角部ＣＮが上部絶縁膜６０によって保護されている。これにより上部角部ＣＮへの電界集中が大きく緩和され、炭化珪素半導体装置の耐圧が向上する。
【００１８】
（２）上部絶縁膜６０の厚さｔ２は、ゲート絶縁膜９１のうち側壁ＳＷを覆う部分の厚さｔ１よりも厚いことが好ましい。これにより上部角部ＣＮへの電界集中をより一層緩和することができる。
【００１９】
（３）ゲート電極９２の上端部ＥＴは、トレンチＴＲの深さ方向において、上部絶縁膜６０の上部表面と同じ深さに位置するか、または同深さ方向において上部表面よりも下に位置することが好ましい。これにより上部角部ＣＮへの電界集中をより一層緩和することができる。
【００２０】
（４）側壁ＳＷは、炭化珪素半導体層１００の｛０００１｝面に対して５０°以上７０°以下の傾斜角を有することが好ましい。側壁ＳＷの傾斜角が上記範囲を占める場合に当該側壁ＳＷにチャネル領域を設けることによってチャネル抵抗を低減することができる。
【００２１】
（５）側壁ＳＷには、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面Ｓ１を含む表面が設けられていることが好ましい。このような面にチャネル領域が形成されることにより、チャネル抵抗を低減することができる。
【００２２】
（６）本実施形態は上記の炭化珪素半導体装置の製造方法にも係わり、該製造方法は、主面ＭＰを有する炭化珪素半導体層１００を準備する工程Ｓ１０と、主面ＭＰ上に開口部ＯＰを有する上部絶縁膜６０を形成する工程Ｓ２０と、上部絶縁膜６０をマスクとして、開口部ＯＰ下の炭化珪素半導体層１００の領域に、底部ＢＴと主面ＭＰに対して傾斜する側壁ＳＷとを有するトレンチＴＲを形成する工程Ｓ３０と、を備え、上部絶縁膜６０はトレンチＴＲの内部に突出した部位を有し、さらに上部絶縁膜６０が残存している状態で、底部ＢＴおよび側壁ＳＷの各々を覆うゲート絶縁膜９１を形成する工程Ｓ４０と、少なくともゲート絶縁膜９１上にゲート電極９２を形成する工程Ｓ５０と、を備える。
【００２３】
上記の製造方法によれば、トレンチＴＲの形成のために用いられるマスク層を利用して、トレンチＴＲの内部に突出した部位を有する上部絶縁膜６０を容易に形成することができる。そして上部角部ＣＮへの電界集中が緩和され、高耐圧を有する炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【００２４】
（７）ゲート電極９２を形成する工程Ｓ５０は、ゲート電極９２が上部絶縁膜６０の上部表面上にまで延在するようにゲート電極９２を形成する工程と、ゲート電極９２のうち上部絶縁膜６０の上部表面上に延在する部分を除去する工程と、を含むことが好ましい。これにより、更に耐圧が向上した炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【００２５】
（８）ゲート電極９２を形成する工程Ｓ５０は、低圧化学気相成長法によってゲート電極９２を形成する工程を含むことが好ましい。低圧化学気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ：Low Pressure-Chemical Vapor Deposition）法を用いることにより、たとえば上部絶縁膜６０がトレンチＴＲの内部に突出する部位の下側にもゲート電極９２となるべき材料を堆積させることができる。
【００２６】
（９）上部絶縁膜６０を形成する工程Ｓ２０において、上部絶縁膜６０はゲート絶縁膜９１のうち側壁ＳＷを覆う部分の厚さよりも厚く形成されることが好ましい。これにより、上部角部ＣＮへの電界集中がより一層緩和された炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【００２７】
（１０）トレンチＴＲを形成する工程Ｓ３０は、熱エッチングにより炭化珪素半導体層１００をエッチングする工程を含むことが好ましい。熱エッチングを用いてトレンチＴＲを形成することにより、炭化珪素半導体層１００の主面ＭＰに対して傾斜する側壁ＳＷを有するトレンチＴＲを容易に形成することができる。
【００２８】
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置についてより詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
【００２９】
＜炭化珪素半導体装置＞
図１に示す本実施形態に係る炭化珪素半導体装置２０１はトレンチ構造を有する縦型ＭＯＳＦＥＴとして構成されている。炭化珪素半導体装置２０１は、単結晶基板８０と、炭化珪素半導体層１００（エピタキシャル層）と、上部絶縁膜６０と、ゲート絶縁膜９１と、ゲート電極９２と、層間絶縁膜９３と、ソース電極９４と、ソース配線層９５と、ドレイン電極９８とを有する。
【００３０】
炭化珪素半導体層１００の上面である主面ＭＰには、底部ＢＴと主面ＭＰに対して傾斜する側壁ＳＷとを有するトレンチＴＲが設けられている。そして炭化珪素半導体装置２０１では側壁ＳＷに沿ってチャネル領域が形成される。
【００３１】
炭化珪素半導体層１００は、主面ＭＰと側壁ＳＷとの接続部に上部角部ＣＮを含んでいる。上部角部ＣＮは後述するｎ＋層８３の一部である。ｎ＋層８３は電子を豊富に含む層であるため、上部角部ＣＮにゲート電極９２からの電界が集中すると、電子が上部角部ＣＮに一斉に集まりリーク電流が発生する可能性がある。
【００３２】
本実施形態では主面ＭＰ上にトレンチＴＲの内部に突出した部位を有する上部絶縁膜６０が形成されている。上部絶縁膜６０はトレンチＴＲの内部に突出した部位を有することで上部角部ＣＮを確実に保護する。このため、上部絶縁膜６０によってゲート電極９２と上部角部ＣＮとの間の距離が規制され、ゲート電極９２からの電界が大幅に緩和される。したがって、炭化珪素半導体装置２０１は高耐圧を有することができる。
【００３３】
上部絶縁膜６０の材質は特に限定されない。たとえば、酸化珪素（ＳｉＯ2）膜や窒化珪素（ＳｉＮ）膜、窒化酸化珪素膜（ＳｉＯＮ）等から構成することができる。また、たとえばトレンチＴＲの形成のために用いられるマスク層を利用して上部絶縁膜６０とすることもできる。マスク層を利用する場合、上部絶縁膜６０としてはＳｉＯ2膜が好適である。
【００３４】
本実施形態において上部絶縁膜６０はトレンチＴＲの内部に突出した部位を有する。該部位の幅Ｗ（上部角部ＣＮと上部絶縁膜６０のトレンチＴＲ側の側端部との水平方向の距離）は１５０ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは３００ｎｍ以上であり、さらに好ましくは５００ｎｍ以上である。該部位の幅Ｗが大きい程、電界集中を緩和できるからである。なお幅Ｗの上限値は特に限定されないが、装置の微細化の観点から１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３５】
上部絶縁膜６０の厚さｔ２は、ゲート絶縁膜９１のうち側壁ＳＷを覆う部分の厚さｔ１よりも厚いことが好ましい。「ゲート絶縁膜９１のうち側壁ＳＷを覆う部分の厚さｔ１」とは、すなわちゲート絶縁膜９１のうちチャネル領域を覆う部分の厚さを意味する。これにより上部角部ＣＮへの電界集中を緩和しつつ、効率的にゲート電圧を印加することができる。具体的には上部絶縁膜６０の厚さｔ２は、ｔ２≧１．５ｔ１となる関係を満たすことが好ましい。さらに具体的には上部絶縁膜６０の厚さｔ２は、好ましくは５０ｎｍ以上であり、より好ましくは６０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは７０ｎｍ以上である。また、上部絶縁膜６０の厚さｔ２は、たとえば８０ｎｍ以下である。
【００３６】
図１に示す炭化珪素半導体装置２０１において、ゲート電極９２は上部絶縁膜６０の上部表面上にまで延在している。ここで、より電界緩和効果を高めるとの観点から、ゲート電極９２は上部絶縁膜６０の上部表面上において、上部角部ＣＮの直上の位置よりもトレンチＴＲの内側に位置することが好ましい。具体的には、ゲート電極９２の側端部ＥＳと上部絶縁膜６０の上部表面上における上部角部ＣＮの直上の位置との水平方向の距離ｄは、好ましくは１５０ｎｍ以上であり、より好ましくは３００ｎｍ以上であり、さらに好ましくは５００ｎｍ以上である。
【００３７】
以下、炭化珪素半導体装置２０１のその他の構成について説明する。なお以下の説明において各層または領域における導電型はあくまでも例示であり、各層または領域はこれらと異なる導電型を有していてもよい。
【００３８】
炭化珪素半導体層１００は、単結晶基板８０上にエピタキシャル成長させられたＳｉＣ層である。単結晶基板８０はｎ型の導電型を有する。炭化珪素半導体層１００はポリタイプ４Ｈの六方晶の結晶構造を有する。かかる結晶構造を採用することにより、炭化珪素半導体装置２０１のオン抵抗を低くすることができる。炭化珪素半導体層１００は、ｎドリフト層８１と、ｐボディ層８２と、ｎ＋層８３と、ｐコンタクト領域８４とを有する。
【００３９】
ｎドリフト層８１はｎ型の導電型を有する。ｎドリフト層８１の不純物濃度は、単結晶基板８０の不純物濃度よりも低いことが好ましい。ここでｎドリフト層８１の不純物濃度は、好ましくは１×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下である。
【００４０】
ｐボディ層８２はｐ型の導電型を有する。ｐボディ層８２はｎドリフト層８１内に設けられている。ｐボディ層８２の不純物濃度は５×１０15／ｃｍ3以上２×１０18／ｃｍ3以下であることが好ましく、たとえば１×１０18／ｃｍ3程度とすることができる。
【００４１】
ｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４はｐボディ層８２内に設けられている。ｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４は主面ＭＰの一部を構成している。
【００４２】
ここでトレンチＴＲの底部ＢＴにはｎドリフト層８１が表出しており、側壁ＳＷにはｎドリフト層８１の一部、ｐボディ層８２およびｎ＋層８３が表出している。そしてゲート絶縁膜９１は底部ＢＴおよび側壁ＳＷの各々を覆っている。さらにゲート電極９２はゲート絶縁膜９１および上部絶縁膜６０上に設けられている。これにより、側壁ＳＷに表出したｐボディ層８２に沿ってチャネル領域が形成される。
【００４３】
ここで、図２を参照して炭化珪素半導体層１００の形状を説明する。図２は、図１の炭化珪素半導体装置２０１が有する炭化珪素半導体層１００の形状を概略的に示す部分斜視図である。図２に示すようにトレンチＴＲは、ハニカム構造の網目を構成するように伸びており、トレンチＴＲの底部ＢＴには、ｎドリフト層８１が表出している。そして、側壁ＳＷは六角錐台（メサ構造）の斜面をなすように形成されており、側壁ＳＷにはｎドリフト層８１の一部とｐボディ層８２とｎ＋層８３とが表出している。主面ＭＰはメサ構造の頂面を構成しており、平面視では六角形状を有している。ｐコンタクト領域８４はメサ構造において頂面のほぼ中央に形成され、その平面形状は六角形（頂面）と相似形である。
【００４４】
そして主面ＭＰと側壁ＳＷとの接続部には上部角部ＣＮが形成されている。本実施形態では主面ＭＰ上に上部絶縁膜６０（図２には図示せず）が形成され、上部絶縁膜６０は庇状にトレンチＴＲの内部に突出している。
【００４５】
再び図１を参照してソース電極９４は、ｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４の各々に接して、ｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４上に設けられている。層間絶縁膜９３は、ゲート電極９２および上部絶縁膜６０上に設けられ、ゲート電極９２とソース電極９４との間を絶縁している。ソース配線層９５は層間絶縁膜９３およびソース電極９４に接して、これらの上に形成されている。またドレイン電極９８は炭化珪素半導体層１００の主面ＭＰとは反対の下面に単結晶基板８０を介して設けられている。
【００４６】
（特殊面）
前述のように本実施形態において、トレンチＴＲは主面ＭＰに対して傾斜する側壁ＳＷを有する。側壁ＳＷは炭化珪素半導体層１００の｛０００１｝面に対して５０°以上７０°以下の傾斜角を有することが好ましく、炭化珪素半導体層１００の（０００−１）面に対して５０°以上７０°以下の傾斜角を有することがより好ましい。これにより側壁ＳＷに表出したｐボディ層８２に沿って形成されたチャネル領域において、チャネル抵抗が低減されるからである。なお、該傾斜角はより好ましくは５４°以上６６°以下であり、さらに好ましくは５８°以上６２°以下である。
【００４７】
さらに側壁ＳＷは、特にｐボディ層８２上の部分において、所定の結晶面（以下「特殊面」と称する。）を有することが好ましい。具体的には側壁ＳＷには、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面Ｓ１を含む表面が設けられていることが好ましい。以下、この特殊面について詳しく説明する。
【００４８】
特殊面が設けられた側壁ＳＷは図１３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。換言すればトレンチＴＲの側壁ＳＷ上においてｐボディ層８２には、面Ｓ１を含む表面が設けられている。面Ｓ１は好ましくは面方位（０−３３−８）を有する。
【００４９】
そして、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」ということを意味している。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。なお、面Ｓ２は好ましくは面方位（０−１１−１）を有する。
【００５０】
さらに好ましくは側壁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および面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）により観察することができる。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」ことを意味している。このように巨視的なオフ角の測定方法としては、たとえば一般的なＸ線回折を用いた方法を挙げることができる。また複合面ＳＲは面方位（０−１１−２）を有することが好ましい。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。
【００５１】
また、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（すなわちＭＯＳＦＥＴの厚さ方向（図１等における縦方向））であるチャネル方向ＣＤは、上述した周期的繰り返しが行なわれる方向に沿っている。次に複合面ＳＲの詳細な構造について説明する。
【００５２】
一般にポリタイプ４ＨのＳｉＣ単結晶を（０００−１）面から見ると、図１４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。
【００５３】
図１５に示すように、（１１−２０）面（図１４の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ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１５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。
【００５４】
図１６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）面に対応する。
【００５５】
図１７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１７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１７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。
【００５６】
次に図１８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１８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。なお熱エッチングについては後述する。
【００５７】
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。
【００５８】
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１６および図１７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。
【００５９】
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１９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１３）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。
【００６０】
図２０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。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。
【００６１】
上述した理由により、トレンチＴＲの側壁ＳＷ（図１）上においてｐボディ層８２には、面方位｛０−３３−８｝を有する面Ｓ１（図１３）を含む表面が設けられていることが好ましい。これにより炭化珪素半導体装置２０１のオン抵抗のうち、ｐボディ層８２によって構成されるチャネル部分の抵抗を小さくすることができる。よってｎドリフト層８１の抵抗がより大きくても許容される。よってｎドリフト層８１の不純物濃度をより小さくすることができる。これにより炭化珪素半導体装置の更なる高耐圧化が可能となる。
【００６２】
なお、この表面は面Ｓ１を微視的に含んでもよく、この表面はさらに面方位｛０−１１−１｝を有する面Ｓ２（図１３）を微視的に含んでもよい。この表面の面Ｓ１およびＳ２は、面方位｛０−１１−２｝を有する複合面ＳＲ（図１３）を構成することが好ましい。またこの表面は｛０００−１｝面に対して、巨視的に６２°±１０°のオフ角を有することがより好ましい。これによりチャネル部分の抵抗をより小さくすることができる。
【００６３】
＜変形例＞
次に本実施形態の変形例について説明する。図２２は本実施形態の変形例に係る炭化珪素半導体装置３０１の構成の概略を示す断面図である。炭化珪素半導体装置３０１では、ゲート電極９２の上端部ＥＴがトレンチＴＲの深さ方向において、上部絶縁膜６０の上部表面と同じ深さに位置している点で図１に示す炭化珪素半導体装置２０１と相違する。このようにゲート電極９２が上部絶縁膜６０の上部表面上に被さらないようにすることにより、ゲート電極９２から上部角部ＣＮに印加される電界が横方向からの電界のみに規制される。したがって、上部角部ＣＮへの電界集中をより効率的に緩和することができる。なお、ゲート電極９２の上端部ＥＴは、より好ましくはトレンチＴＲの深さ方向において上部絶縁膜６０の上部表面よりも下に位置する。
【００６４】
上述した実施形態およびその変形例の説明においては、トレンチＴＲの底部ＢＴがほぼ平坦な面である例を挙げて説明を行なったが、本実施形態においてトレンチＴＲの底部ＢＴの形状はこれらに限定されない。たとえば、トレンチＴＲの断面形状がＶ字形状であり底部ＢＴが線状に形成されていてもよいし、あるいは底部ＢＴが湾曲した形状（Ｕ字形状）を有するものであってもよい。
【００６５】
＜炭化珪素半導体装置の製造方法＞
以上に説明した本実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、以下に説明する製造方法によって製造することができる。図２１は本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。図２１に示すように当該製造方法は、工程Ｓ１０、工程Ｓ２０、工程Ｓ３０、工程Ｓ４０および工程Ｓ５０を備える。以下、各工程について説明する。
【００６６】
（工程Ｓ１０）
工程Ｓ１０では炭化珪素半導体層１００が準備される。炭化珪素半導体層１００は、たとえば単結晶基板８０上でのエピタキシャル成長およびイオン注入によって準備される。
【００６７】
図３を参照して、炭化珪素半導体層１００の一部となるべきｎドリフト層８１が単結晶基板８０上にエピタキシャル成長によって形成される。ここで単結晶基板８０は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶ＳｉＣからなるインゴット（図示せず）をスライスすることによって得ることができる。ｎドリフト層８１のエピタキシャル成長は、原料ガスとして、たとえばシラン（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法により行なうことができる。この際、不純物として、たとえば窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）を導入することが好ましい。このようにして得られたｎドリフト層８１の上面は、炭化珪素半導体層１００の主面ＭＰとなる。
【００６８】
次に図４を参照してｎドリフト層８１内に、ｐボディ層８２、ｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４が形成される。これらの形成は、たとえばｎドリフト層８１の全面上へのイオン注入によって行なうことができる。ｐボディ層８２およびｐコンタクト領域８４を形成するためのイオン注入では、たとえばＡｌ等のｐ型を付与するための不純物がイオン注入される。また、ｎ＋層８３を形成するためのイオン注入では、たとえばリン（Ｐ）等のｎ型を付与するための不純物がイオン注入される。各層および領域のイオン注入には、従来公知のフォトレジスト等の注入マスク（図示せず）が用いられる。なお、イオン注入の代わりに、不純物の添加を伴うエピタキシャル成長を行なってもよい。
【００６９】
次に、不純物を活性化するための熱処理が行なわれる。これにより、各不純物領域において所望のキャリアが生成される。このときの熱処理温度は、好ましくは１５００℃以上１９００℃以下であり、たとえば１７００℃程度である。熱処理時間は、たとえば３０分程度とすることができる。熱処理の雰囲気は不活性ガス雰囲気であることが好ましく、たとえばアルゴン（Ａｒ）雰囲気が好ましい。以上のようにして炭化珪素半導体層１００が準備される。
【００７０】
（工程Ｓ２０）
工程Ｓ２０では炭化珪素半導体層１００の主面ＭＰ上に開口部ＯＰを有する上部絶縁膜６０が形成される。まず図５に示すように、主面ＭＰ上に上部絶縁膜６０が形成される。上部絶縁膜６０は、たとえば酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化酸化珪素（ＳｉＯＮ）等からなり、たとえば熱酸化法やＣＶＤ法によって形成することができる。このとき上部絶縁膜６０は、その厚さｔ２が後に形成されるゲート絶縁膜９１のうちトレンチＴＲの側壁ＳＷを覆う部分の厚さｔ１よりも厚くなるように形成されることが好ましい。
【００７１】
次に図６を参照して上部絶縁膜６０に開口部ＯＰが形成される。開口部ＯＰは、たとえばＣＦ4やＣＨＦ3を用いたエッチングにより、上部絶縁膜６０の一部を除去することにより形成することができる。
【００７２】
（工程Ｓ３０）
工程Ｓ３０では、工程Ｓ２０によって形成された上部絶縁膜６０をマスクとして、開口部ＯＰ下の炭化珪素半導体層１００の領域にトレンチＴＲを形成する。まず図７を参照して、トレンチＴＲが形成されるべき領域に、主面ＭＰに対してほぼ垂直な側壁を有するトレンチＴＱが形成される。トレンチＴＱの形成は、たとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）や誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）−ＲＩＥによって行なうことができる。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。
【００７３】
次に図８を参照して、底部ＢＴと主面ＭＰに対して傾斜する側壁ＳＷとを有するトレンチＴＲが形成される。そしてこれにより、上部絶縁膜６０はトレンチＴＲの内部に突出した部位を有することとなる。このようなトレンチＴＲの形成方法としては、たとえばトレンチＴＱ（図７）において熱エッチングを行なう方法が好適である。
【００７４】
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の加熱によって行なうことができる。ここで少なくとも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。
【００７５】
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（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）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、ＳｉＯ2から作られた上部絶縁膜６０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。その結果、上部絶縁膜６０はトレンチＴＲの内部に突出する部位を有するようになる。そしてこれにより、主面ＭＰと側壁ＳＷとの接続部である上部角部ＣＮが、上部絶縁膜６０によって保護される。
【００７６】
（工程Ｓ４０）
工程Ｓ４０は、上部絶縁膜６０が残存している状態で、トレンチＴＲの底部ＢＴおよび側壁ＳＷの各々を覆うゲート絶縁膜９１を形成する。従来、トレンチＴＲの位置決めのためのマスクである上部絶縁膜６０はゲート絶縁膜９１を形成する前に除去されている。本実施形態では上部絶縁膜６０を残存させることにより、上部角部ＣＮへの電界集中を緩和することができる。
【００７７】
図９を参照して、上部絶縁膜６０が残存している状態でゲート絶縁膜９１が形成される。ゲート絶縁膜９１は、好ましくは熱酸化により形成される。熱酸化は、たとえば酸素を含む雰囲気中において１２５０℃以上の温度で行なうことができる。
【００７８】
ゲート絶縁膜９１が形成された後、雰囲気ガスとして一酸化炭素（ＮＯ）ガスを用いるＮＯアニールが行なわれてもよい。ＮＯアニールは、たとえば１１００℃以上１３００℃以下の温度で、１時間程度保持することにより行なうことができる。これにより、ゲート絶縁膜９１とｐボディ層８２との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制され、チャネル移動度が向上する。なお窒素原子の導入が可能であれば、ＮＯガス以外のガスが雰囲気ガスとして用いられてもよい。
【００７９】
ＮＯアニールの後さらに、雰囲気ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いるＡｒアニールが行なわれてもよい。Ａｒアニールの加熱温度は、前述のＮＯアニールの加熱温度よりも高く、ゲート絶縁膜９１の融点よりも低いことが好ましい。加熱温度の保持時間は、たとえば１時間程度である。これによりゲート絶縁膜９１とｐボディ層８２との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制され、チャネル移動度をより一層向上させることができる。なお雰囲気ガスとしては、Ａｒに代えて窒素ガス等の他の不活性ガスを用いることもできる。
【００８０】
（工程Ｓ５０）
次に図１０を参照して、ゲート電極９２が少なくともゲート絶縁膜９１上に形成される。ここで「少なくともゲート絶縁膜９１上に形成される」とは、ゲート電極９２は、たとえば上部絶縁膜６０の上部表面上にまで延在するように形成されてもよいし（図１０）、あるいはゲート絶縁膜９１上にのみ形成されてもよいことを示している。
【００８１】
ゲート電極９２は、たとえばリン等の不純物を含むポリシリコンから構成され、ＣＶＤ法によって形成することができる。ここでゲート電極９２は、好ましくはＬＰ−ＣＶＤ法によって形成される。ＬＰ−ＣＶＤ法を用いることにより、図１０に示すように上部絶縁膜６０がトレンチＴＲの内部に突出する部位の下側等にもゲート電極９２となるべき材料を堆積させることができる。
【００８２】
ＬＰ−ＣＶＤ法によるゲート電極９２の形成は、たとえば反応ガスとしてシランを用い、温度を５００℃以上７００℃以下程度、圧力を０．１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下程度として行なうことができる。
【００８３】
次に図１１を参照して、ゲート電極９２のうち上部絶縁膜６０の上部表面上に延在する部分の一部が除去される。ゲート電極９２の一部は、たとえばフォトリソグラフィ法によるパターニングとＲＩＥによって除去することができる。
【００８４】
この際、ゲート電極９２のうち上部絶縁膜６０の上部表面上に延在する部分をＲＩＥによって全面エッチバックすることもできる。この場合は、ゲート電極９２の上端部ＥＴはトレンチＴＲの深さ方向において、上部絶縁膜６０の上部表面と同じ深さに位置することとなり、図２２に示す炭化珪素半導体装置３０１を製造することができる。
【００８５】
（後工程）
その後図１２に示すように、ゲート電極９２の露出面および上部絶縁膜６０の上部表面を覆うように層間絶縁膜９３が形成される。次に層間絶縁膜９３および上部絶縁膜６０に開口部が形成されるようにエッチングが行なわれる。この開口部により主面ＭＰにおいてｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４の各々が露出される。次に主面ＭＰ上においてｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４の各々に接するソース電極９４が形成される。さらに単結晶基板８０において、ｎドリフト層８１が形成された主面側と反対側の裏面上にドレイン電極９８が形成される。
【００８６】
そして再び図１を参照して、層間絶縁膜９３上にソース電極９４と電気的に接続するソース配線層９５が形成される。以上のようにして、上部角部ＣＮへの電界集中が緩和され、高耐圧を有する本実施形態の炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【００８７】
以上のように本発明の実施形態について説明を行なったが、上述した実施形態およびその変形例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００８８】
今回開示された実施形態およびその変形例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】
【００８９】
６０  上部絶縁膜
８０，１８１  単結晶基板
８１，１８１  ｎドリフト層
８２，１８２  ｐボディ層
８３  ｎ＋層
１８３  ｎ＋型ＳｉＣ層
８４，１８４  ｐコンタクト領域
９１，１９１  ゲート絶縁膜
９２，１９２  ゲート電極
９３，１９３  層間絶縁膜
９４，１９４  ソース電極
９５，１９５  ソース配線層
９８，１９８  ドレイン電極
１００，９００  炭化珪素半導体層
２０１，３０１，９０１  炭化珪素半導体装置
ＭＰ  主面
ＯＰ  開口部
ＴＲ，ＴＱ  トレンチ
ＢＴ  底部
ＳＷ  側壁
ＣＮ  上部角部
ＥＴ  上端部
ＥＳ  側端部
ｔ１，ｔ２  厚さ
Ｗ  幅
ｄ  距離
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  面
ＳＲ，ＳＱ  複合面
ＣＤ  方向
【図１】
2015082632.tif 000003
【図２】
2015082632.tif 000004
【図３】
2015082632.tif 000005
【図４】
2015082632.tif 000006
【図５】
2015082632.tif 000007
【図６】
2015082632.tif 000008
【図７】
2015082632.tif 000009
【図８】
2015082632.tif 000010
【図９】
2015082632.tif 000011
【図１０】
2015082632.tif 000012
【図１１】
2015082632.tif 000013
【図１２】
2015082632.tif 000014
【図１３】
2015082632.tif 000015
【図１４】
2015082632.tif 000016
【図１５】
2015082632.tif 000017
【図１６】
2015082632.tif 000018
【図１７】
2015082632.tif 000019
【図１８】
2015082632.tif 000020
【図１９】
2015082632.tif 000021
【図２０】
2015082632.tif 000022
【図２１】
2015082632.tif 000023
【図２２】
2015082632.tif 000024
【図２３】
2015082632.tif 000025