(57)【要約】【課題】基板に形成したトレンチ溝の内壁面にエピタキシャル成長する際にファセット面の形成を抑制することができるようにする。【解決手段】ＳｉＣ基板９０に｛１１−２０｝面を主表面とする六方晶ＳｉＣ基板が用いられるとともにＳｉＣ基板９０にトレンチ溝９１が形成されている。トレンチ溝９１は、断面形状において側壁面が｛０００１｝面から１度以上傾いている。トレンチ溝９１の内壁面にはＳｉＣエピ層が形成されている。【選択図】図２４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるＳｉＣエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
ＳｉＣ基板として、｛１１−２０｝面を主表面とする六方晶ＳｉＣ基板を用い、また、トレンチ溝として、断面形状において側壁面が｛０００１｝面から１度以上傾いたものを用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項２】
ＳｉＣ基板にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝の内壁面にチャネル層として用いられるＳｉＣエピ層を形成した炭化珪素半導体装置であって、
ＳｉＣ基板として、｛１−１００｝面を主表面とする六方晶ＳｉＣ基板を用い、また、トレンチ溝として、断面形状において側壁面が｛０００１｝面から１度以上傾いたものを用いたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図２８に示すように、ＳｉＣ基板２００に溝２０１が形成されるとともに当該溝２０１の内壁面にＳｉＣエピ層２０２を形成した炭化珪素半導体装置において、溝２０１の側面での電界集中を防止すべく、[０００１]面を主表面とし、溝２０１の側面を[１−１００]面とした構造が提案されている。
【０００３】
実際の製造の際においては、図２９（ａ），（ｂ）に示すように、溝２０１の内面である[１−１００]面からエピ成長する際に表面近傍にファセット面が発生し、欠陥の発生は避けられない。つまり、＜１−１００＞オフのウエハで埋め込みエピ成長すると、＜１−１００＞方向の下流側に（０００１）ファセット面が発生する。これにより、トレンチ溝２０１内に配したエピ層２０２の断面形状が対称でなく、かつ、ファセット面の表面凹凸が大きく、ファセット面で欠陥が発生しやすい。そして、デバイスへの問題点として、トレンチＪＦＥＴ、トレンチＭＯＳＦＥＴに適用した場合、チャネル層にファセット面が発生する。これにより、移動度が低下しオン抵抗が増加したり、リーク電流が増加したり、しきい値が変動するといった問題がある。
【特許文献１】特開平９−１７２１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、基板に形成したトレンチ溝の内壁面にエピタキシャル成長する際にファセット面の形成を抑制することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、ＳｉＣ基板として、｛１１−２０｝面を主表面とする六方晶ＳｉＣ基板を用い、また、トレンチ溝として、断面形状において側壁面が｛０００１｝面から１度以上傾いたものを用いたことを特徴とし、請求項２に記載の発明は、ＳｉＣ基板として、｛１−１００｝面を主表面とする六方晶ＳｉＣ基板を用い、また、トレンチ溝として、断面形状において側壁面が｛０００１｝面から１度以上傾いたものを用いたことを特徴としている。
【０００６】
これら各請求項に記載の発明によれば、基板に形成したトレンチ溝の内壁面にエピタキシャル成長する際にファセット面の形成を抑制することができる。
なお、本明細書においては、結晶学的な面や方向の表現方法として、数字の前に「−」を付けており、これは、数字の上に「−」を付ける表記方法と同じ意味である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）にはＳｉＣ基板（ＳｉＣウエハ）１０の平面図を示し、図１（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図を図１（ｂ）に示す。
【０００８】
ＳｉＣ基板１０にトレンチ溝１１が形成されている。ＳｉＣ基板１０として、｛０００１｝面にオフ角を設けるとともにオフ方向を＜１１−２０＞としたものを用いている。また、トレンチ溝１１として、＜１１−２０＞方向に延びるストライプ構造のトレンチ溝を用いている。そして、図２に示すように、トレンチ溝１１の内壁面に、ＳｉＣエピ層１２が形成される。詳しくは、トレンチ溝１１内を含めたＳｉＣ基板１０上にＳｉＣエピ層１２が形成される。
【０００９】
このようにして、＜１１−２０＞オフＳｉＣウエハ１０の上面において＜１１−２０＞方向に延びるストライプ構造のトレンチ溝１１が形成され、トレンチ溝１１の内部を含めたＳｉＣ基板１０の上面にＳｉＣ層１２が形成されている。
【００１０】
よって、トレンチ溝１１内にエピタキシャル成長したときにおいて、トレンチ溝１１の側壁面である（１−１００）面にファセット面が発生しない。このように、基板１０に形成したトレンチ溝１１の内壁面にエピタキシャル成長する際にファセット面の形成を抑制することができることから、（１−１００）面をチャネル層にすることができる。
【００１１】
つまり、図３に示すようなトレンチＪＦＥＴとする場合に好ましいものとなる。詳しくは、図３において、ｎ+ＳｉＣ基板１３の上にｎ-エピ層１４とゲートｐ+エピ層１５とソースｎ+エピ層１６が順に形成されている。その上面部にトレンチ溝１９が形成され、トレンチ溝１９はソースｎ+エピ層１６とゲートｐ+エピ層１５を貫通しｎ-エピ層１４に達している。さらに、トレンチ溝１９内にはチャネルｎ-エピ層１７およびゲートｐ+エピ層１８が形成されている。ｎ+ＳｉＣ基板１３には裏面電極としてのドレイン電極１３ａが形成されている。また、ゲートｐ+エピ層１８に第１ゲート電圧が印加されるとともにゲートｐ+エピ層１５に第２ゲート電圧が印加される。そして、ゲートｐ+エピ層１８とゲートｐ+エピ層１５との電圧を調整することにより、ゲートｐ+エピ層１８とゲートｐ+エピ層１５の間におけるチャネルｎ-エピ層１７での空乏層の広がりを調整してソース・ドレイン間（ソースｎ+エピ層１６・ｎ+ＳｉＣ基板１３間）に流れる電流をコントロールすることができる。このとき、図１，２で説明したように、（１−１００）面をチャネル層にすることができることとなる。
【００１２】
なお、図２に代わり、図４に示すように、トレンチ溝１１をエピ層１２で埋め込んでもよい（埋込エピ層１２としてもよい）。
以上のごとく、オフウエハ１０を用いてトレンチ溝１１をオフ方向に延長したストライプ構造にし、その上にエピ層１２を形成する。よって、エピ成長したときにファセット面が発生しないので、図１でのＬ１線に沿って延びるストライプ構造のトレンチ溝１１での側面をチャネル層の下地面に用いることができる。換言すれば、＜１１−２０＞方向をオフ方向に選択することにより、移動度の高い（１−１００）面にファセット面が発生しないようにすることができ、ＦＥＴのチャネル層を形成する上で好ましいものとなる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００１３】
図５（ａ），（ｂ）および図６を用いて第２の実施形態を説明していく。本実施形態は第１の実施形態に比べＳｉＣ基板のオフ方向およびトレンチ溝の延設方向が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【００１４】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板（ＳｉＣウエハ）２０として、｛０００１｝面にオフ角を設けるとともにオフ方向を＜１−１００＞としたものを用いている。また、ストライプ構造のトレンチ溝２１は、＜１−１００＞方向に延びている。
【００１５】
このように、＜１−１００＞オフＳｉＣウエハ２０の上面において、＜１−１００＞方向に延びるストライプ構造のトレンチ溝２１を設け、図６に示すように、その上にＳｉＣエピ層２２を形成している。
【００１６】
これにより、トレンチ溝２１内にエピタキシャル成長したときにトレンチ溝２１の側壁面である（１１−２０）面にファセット面が発生しない。よって、（１１−２０）面をチャネル層にすることができる。換言すれば、＜１−１００＞方向をオフ方向に選択することにより、移動度の高い（１１−２０）面にファセットが発生しないようにすることができ、ＦＥＴのチャネル層を形成する上で好ましいものとなる。
【００１７】
なお、図６に代わり、図７に示すように、トレンチ溝２１をエピ層２２で埋め込んでもよい（埋込エピ層２２としてもよい）。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００１８】
図８（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板（ＳｉＣウエハ）３０として、｛０００１｝面にオフ角を設けるとともにオフ方向を＜１１−２０＞としたものを用いている。また、トレンチ溝３１として、（１−１００）面を側壁面としたものを用いている。詳しくは、図８（ａ）においてはトレンチ溝３１の平面形状は正六角形である。そして、図９に示すように、トレンチ溝３１内を含めたＳｉＣ基板３０上にＳｉＣエピ層３２を形成している。
【００１９】
よって、トレンチ溝３１内にエピ層３２を形成したときに（１−１００）面にファセット面が発生しない。これにより、（１−１００）面をチャネル層にすることができる。また、ストライプ構造のトレンチ溝とした場合における終端での（１−１００）面にもファセット面が発生しない。これにより、ストライプ構造のトレンチ溝の終端もチャネル層として使用することが可能となる。
【００２０】
第１の変形例を、図１０（ａ），（ｂ）に示す。
図１０（ａ），（ｂ）において、＜１１−２０＞オフＳｉＣウエハ３０に（１−１００）面を側壁としたトレンチ溝３３が形成されており、同トレンチ溝３３の平面形状は正三角形である。そして、このトレンチ溝３３内を含めたＳｉＣ基板３０上にＳｉＣエピ層（図示略）が形成されている。これにより、トレンチ溝３３内にエピ成長したときに（１−１００）面にファセット面が発生せず、（１−１００）面をチャネル層にすることができる。
【００２１】
第２の変形例を、図１１（ａ），（ｂ）に示す。
図１１（ａ），（ｂ）においては、図１０の基板（３０）と溝（３３）の関係を反転させたものである。つまり、＜１１−２０＞オフＳｉＣウエハ３０に、（１−１００）面で構成されたトレンチ溝３４が形成されており、詳しくは、正三角形の凸部の間においてトレンチ溝３４が位置している。そして、その上に、図１２に示すように、ＳｉＣエピ層３５が形成されている。よって、トレンチ溝３４内にエピ成長したときに（１−１００）面にファセット面が発生せず、（１−１００）面をチャネル層として使用することができる。
【００２２】
あるいは、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、図８の基板（３０）と溝（３１）の関係を反転させてもよい。つまり、正六角形の凸部の間においてトレンチ溝３６が位置するようにしてもよい。
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００２３】
図１４（ａ），（ｂ）および図１５を用いて第４の実施形態を説明していく。本実施形態は第３の実施形態（図８）に比べＳｉＣ基板のオフ方向およびトレンチ溝の側壁面の面指数が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【００２４】
図１４（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板（ＳｉＣウエハ）４０として、｛０００１｝面にオフ角を設けるとともにオフ方向を＜１−１００＞としたものを用いている。また、トレンチ溝４１として、（１１−２０）面を側壁面としたものを用いている。詳しくは、図１４（ａ）においてはトレンチ溝４１の平面形状は正六角形である。そして、図１５に示すように、トレンチ溝４１内を含めたＳｉＣ基板４０上にＳｉＣエピ層４２が形成される。
【００２５】
このように、＜１−１００＞オフＳｉＣウエハ４０の上面において（１１−２０）面で構成されたトレンチ溝４１が形成され、その上にＳｉＣエピ層４２が形成されている。
よって、トレンチ溝４１内にエピ成長したときに（１１−２０）面にファセット面が発生せず、（１１−２０）面をチャネル層にすることができる。また、ストライプ構造のトレンチ溝とした場合における終端での（１１−２０）面もファセット面が発生せず、終端もチャネル層として使用することが可能となる。
【００２６】
図１６（ａ），（ｂ）は変形例である。＜１−１００＞オフＳｉＣウエハ４０に（１１−２０）面で構成されたトレンチ溝４３が形成されており、同トレンチ溝４３の平面形状は正三角形である。そして、その上にＳｉＣエピ層（図示略）が形成されている。よって、トレンチ溝４３内にエピ成長したときに（１１−２０）面にファセット面が発生せず、（１１−２０）面をチャネル層にすることができる。
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００２７】
図１７（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板（ＳｉＣウエハ）５０として、｛０００１｝面にオフ角を設けるとともにオフ方向を＜１１−２０＞としたものを用いている。また、トレンチ溝５１の平面構造として、各辺全てがＳｉＣ基板５０のオフ方向から８０度以下、望ましくは７５度以下であるトレンチ溝を用いている。詳しくは、トレンチ溝５１は長方形をなし、その長辺とオフ方向でなす角度θ1（鋭角）と、短辺とオフ方向でなす角度θ2（鋭角：θ2＝９０−θ1）とは、共に８０度以下、望ましくは７５度以下となっている。
【００２８】
このように、オフウエハ５０の上面において各辺全てがオフ方向から８０度以下、望ましくは７５度以下であるトレンチ溝５１が形成され、その上に、図１８に示すように、ＳｉＣエピ層５２が形成されている。
【００２９】
よって、トレンチ溝５１内にエピ成長したときにオフ方向にファセット面が発生するが、これはオフ方向とトレンチ溝との角度に依存しており、オフ方向に対し側壁面が７５度以下であるトレンチ溝５１ではファセット面が発生しない。
【００３０】
図１９には、トレンチ溝の辺とオフ方向とでなすθ（前述のθ1またはθ2）に対するファセット面の発生確率の測定結果を示す。図１９において、θが９０度ではファセット面の発生確率が１００％であるが、θが７５度以下ではファセット面の発生確率はゼロである。
【００３１】
この図１９から、トレンチ溝５１の平面構造として各辺全てがＳｉＣ基板５０のオフ方向から８０度以下、特に、７５度以下とするとよいことが分かる。
（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３２】
図２０（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板７０として、｛０００１｝面にオフ角を設けるとともにオフ方向を＜１１−２０＞としたものを用い、また、トレンチ溝７１として、側壁面が（１１−２０）面になり、かつ、全ての（１１−２０）面がＳｉＣ基板７０のオフ方向とは垂直ではないものを用いている。トレンチ溝７１に関して、詳しくは、溝の延設方向において対向する溝側壁が互いに接近する箇所と互いに離間する箇所が交互に繰り返されている。
【００３３】
このように、＜１１−２０＞オフ基板７０を用いた場合の溝パターンとして、溝側壁の面が（１１−２０）面で形成され、しかも、オフ方向に垂直な（１−１００）面を使用していない構造となっている。この溝構造にＳｉＣ層（図示略）をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の（１１−２０）面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
【００３４】
また、側壁面が直線的に延びるストライプ構造のトレンチ溝（例えば図１（ａ））に比較して、チャネル幅を長くでき、より多くの電流を流すことが可能となる。
変形例として、図２１に示すトレンチ溝の構成としてもよい。つまり、図２１のトレンチ溝７２は図２０（ａ）と同様に側壁面が（１１−２０）面のトレンチ溝であるが、溝の延設方向において溝幅は一定である。
（第７の実施の形態）
次に、第７の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３５】
図２２（ａ），（ｂ）を用いて第７の実施形態を説明していく。本実施形態は第６の実施形態に比べＳｉＣ基板のオフ方向およびトレンチ溝の側壁面の面指数が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【００３６】
図２２（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板８０として、｛０００１｝面にオフ角を設けるとともにオフ方向を＜１−１００＞としたものを用い、また、トレンチ溝８１として、側壁面が（１−１００）面になり、かつ、全ての（１−１００）面がＳｉＣ基板８０のオフ方向とは垂直ではないものを用いている。トレンチ溝８１に関して、詳しくは、溝の延設方向において対向する溝側壁が互いに接近する箇所と互いに離間する箇所が交互に繰り返されている。
【００３７】
このように、＜１−１００＞オフ基板８０を用いた場合の溝パターンとして、溝側壁の面が（１−１００）面で形成され、しかも、オフ方向に垂直な（１１−２０）面を使用していない構造となっている。この溝構造にＳｉＣ層（図示略）をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の（１−１００）面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
【００３８】
また、側壁面が直線的に延びるストライプ構造のトレンチ溝（例えば図１（ａ））に比較して、チャネル幅を長くできるため、より多くの電流を流すことが可能となる。
変形例として、図２３に示すトレンチ溝の構成としてもよい。図２３のトレンチ溝８２は図２２（ａ）と同様に側壁面が（１−１００）面のトレンチ溝であるが、溝の延設方向において溝幅は一定である。
（第８の実施の形態）
次に、第８の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３９】
本実施形態ではこれまでの実施の形態とは異なり、オフ角を設けないＳｉＣ基板を用いている。
図２４（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板９０として、｛１１−２０｝面を主表面とする六方晶ＳｉＣ基板を用い、また、トレンチ溝９１として、断面形状において側壁面が（０００１）面から１度以上傾いたものを用いている。
【００４０】
つまり、（１１−２０）面基板９０を用意し、この基板９０の上面にトレンチ溝９１を形成する。この際、トレンチ溝９１の側壁を、（０００１）面から１度以上傾くように形成する。この溝構造に、図２５に示すように、ＳｉＣ層９２をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の（０００１）面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
（第９の実施の形態）
次に、第９の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４１】
図２６（ａ），（ｂ）および図２７を用いて第９の実施形態を説明していく。本実施形態は第８の実施形態に比べＳｉＣ基板の主表面の面指数が異なっている。詳しくは以下のとおりである。
【００４２】
図２６（ａ），（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板１００として、｛１−１００｝面を主表面とする六方晶ＳｉＣ基板を用い、また、トレンチ溝１０１として、断面形状において側壁面が（０００１）面から１度以上傾いたものを用いている。
【００４３】
このように、（１−１００）面基板１００を用意し、この基板１００の表面に溝１０１を形成する。この際、この溝１０１の側壁を、（０００１）面から１度以上傾くように形成する。この溝構造に、図２７に示すように、ＳｉＣ層１０２をエピ成長すると、ファセット面が形成されない。また、溝側壁をチャネル層に用いるデバイスに適用する際、溝側壁の（０００１）面がチャネル層になるため、チャネル移動度が高い特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図２】第１の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図３】トレンチＪＦＥＴの縦断面図。
【図４】第１の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図５】（ａ）は第２の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図６】第２の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図７】第２の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図８】（ａ）は第３の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図９】第３の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図１０】（ａ）は第１の変形例を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図１１】（ａ）は第２の変形例を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図１２】第２の変形例における半導体装置の縦断面図。
【図１３】（ａ）はその他の変形例を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図１４】（ａ）は第４の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図１５】第４の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図１６】（ａ）は変形例を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図１７】（ａ）は第５の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図１８】第５の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図１９】ファセット面の発生確率を示す図。
【図２０】（ａ）は第６の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図２１】変形例を説明するための平面図。
【図２２】（ａ）は第７の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図２３】変形例を説明するための平面図。
【図２４】（ａ）は第８の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図２５】第８の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図２６】（ａ）は第９の実施の形態を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【図２７】第９の実施の形態における半導体装置の縦断面図。
【図２８】従来技術を説明するための縦断面図。
【図２９】（ａ）は従来技術を説明するための平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線での縦断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１０…ＳｉＣ基板、１１…トレンチ溝、１２…ＳｉＣエピ層、２０…ＳｉＣ基板、２１…トレンチ溝、２２…ＳｉＣエピ層、３０…ＳｉＣ基板、３１…トレンチ溝、３２…ＳｉＣエピ層、３３…トレンチ溝、３４…トレンチ溝、３５…ＳｉＣエピ層、３６…トレンチ溝、４０…ＳｉＣ基板、４１…トレンチ溝、４２…ＳｉＣエピ層、４３…トレンチ溝、５０…ＳｉＣ基板、５１…トレンチ溝、５２…ＳｉＣエピ層、７０…ＳｉＣ基板、７１…トレンチ溝、７２…トレンチ溝、８０…ＳｉＣ基板、８１…トレンチ溝、８２…トレンチ溝、９０…ＳｉＣ基板、９１…トレンチ溝、９２…ＳｉＣエピ層、１００…ＳｉＣ基板、１０１…トレンチ溝、１０２…ＳｉＣエピ層。
【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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【図２９】
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