JP2013243180A - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐圧を向上させるための電界緩和構造を容易に形成する。
【解決手段】第１の層１２１は第１の導電型を有する。第２の層１２２は、第１の層１２１上に設けられており、第２の導電型を有する。第３の層１２３は、第２の層１２２上に設けられており、第２の層１２２によって第１の層１２１と分離されており、第１の導電型を有する。トレンチＴＲは、第３の層１２３および第２の層１２２を貫通して第１の層１２１に至っている。第１の層１２１は、ゲート電極２０２との間にゲート絶縁膜２０１を挟む緩和領域１２１Ｒを含む。緩和領域１２１Ｒには、第１の導電型を付与する第１の不純物が添加されている。また緩和領域１２１Ｒには、第２の導電型を付与する第２の不純物が第１の不純物の濃度に比して低い濃度で添加されている。
【選択図】図４

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものであり、特に、トレンチを有する炭化珪素基板を含む炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものである。

トレンチゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置において、耐圧破壊を引き起こしやすい主な要因は、ゲート絶縁膜の絶縁破壊現象であると考えられている。たとえば特開２００９−１１７５９３号公報（特許文献１）に開示されているように、炭化珪素を適用したトレンチ型ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)において、トレンチのコーナー部におけるゲート絶縁膜の電界による破壊が課題として認識されている。

上記公報に記載の技術によれば、電界緩和のために、トレンチよりも深いｐ⁺型ディープ層が設けられる。その目的で、ｐ⁺型ディープ層を設けるためのトレンチが形成され、次にこのトレンチ内を埋め込むエピタキシャル成長が行われる。他の技術としては、たとえば特開２００８−２７０６８１号公報（特許文献２）によれば、イオン注入によってトレンチの底部にｐ⁺領域が設けられる。

特開２００９−１１７５９３号公報 特開２００８−２７０６８１号公報

特開２００９−１１７５９３号公報に示された技術によれば、ｐ⁺型ディープ層のためのトレンチ形成工程と、このトレンチを埋め込む工程とが必要である。すなわち、工程上負担の大きい、微細加工およびエピタキシャル成長が必要である。

特開２００８−２７０６８１号公報に示された技術によれば、ｐ⁺領域の形成のためのイオン注入をトレンチの底部に選択的に行う必要がある。このｐ⁺領域は製造ばらつきに起因してトレンチにおいて、チャネルを形成するｐ領域とつながってしまうことがあり得る。この場合、チャネル構造が大きく変化するので、半導体装置の特性が大きく乱される。トレンチの微細化がより進められた場合、この問題はより顕著となる。

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、容易に形成することができる電界緩和構造を有する炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することである。

本発明の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜とを有する。炭化珪素基板は第１〜第３の層を有する。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の層に至っている。ゲート電極はトレンチに埋め込まれている。ゲート絶縁膜はトレンチ内において炭化珪素基板とゲート電極とを隔てている。第１の層は、ゲート電極との間にゲート絶縁膜を挟む緩和領域を含む。緩和領域には、第１の導電型を付与する第１の不純物が添加されている。また緩和領域には、第２の導電型を付与する第２の不純物が第１の不純物の濃度に比して低い濃度で添加されている。

上記の炭化珪素半導体装置によれば、第１の層におけるトレンチ近傍に、電界を緩和するための緩和領域が形成される。この緩和領域は第１の導電型であって第２の導電型ではない。仮に緩和領域が第２の導電型であるとすると、この緩和領域が第２の層につながった場合、第２の導電型を有する領域としての第２の層が拡張されてしまうので、第２の領域上に形成されるチャネルの特性が大きく乱される。しかしながら上記炭化珪素半導体装置においては緩和領域が第１の導電型を有するので、緩和領域が第２の層につながっていても、緩和領域はチャネル特性に大きな影響を及ぼさない。よって緩和領域が形成される位置について高い精度を必要としないので、緩和領域を容易に形成することができる。

好ましくは、緩和領域は１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上の第２の不純物の濃度を有する。これによりゲート絶縁膜に加わる電界をより緩和し得る。

好ましくは、緩和領域の少なくとも一部において、第１の不純物の濃度から第２の不純物の濃度を差し引いた値は第１の不純物の濃度の１０％以下である。これによりゲート絶縁膜に加わる電界をより緩和し得る。

好ましくは、緩和領域は２００ｎｍ以上の厚さを有する。これによりゲート絶縁膜に加わる電界をより緩和し得る。

好ましくは、トレンチは開口側に向かってテーパ状に拡がっている。これによりトレンチ内へイオンを容易に注入することができる。よってトレンチ上への緩和領域の形成を、イオン注入を用いて容易に行うことができる。

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の工程を有する。第１の導電型を有する第１の層と、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、第２の層上に設けられ第２の層によって第１の層と分離され第１の導電型を有する第３の層とを含む炭化珪素基板が形成される。第１の層には、第１の層が第１の導電型を有するように第１の不純物が添加されている。第３の層および第２の層を貫通して第１の層に至り、第１の層上に底部を有するトレンチが形成される。トレンチの底部上から第１の層内へ第２の導電型を付与するための第２の不純物を注入することにより、底部上に緩和領域が形成される。緩和領域の形成は、緩和領域において第２の不純物の濃度が第１の不純物の濃度よりも小さくなるように行われる。炭化珪素基板のトレンチの内面を被覆するゲート絶縁膜が形成される。ゲート絶縁膜上にゲート電極が形成される。

上記の製造方法によれば、第１の層におけるトレンチ近傍に、電界を緩和するための緩和領域が形成される。この緩和領域は第１の導電型であって第２の導電型ではない。仮に緩和領域が第２の導電型であるとすると、この緩和領域が製造ばらつきに起因して第２の層につながった場合、第２の導電型を有する領域としての第２の層が拡張されてしまうので、第２の領域上に形成されるチャネルの特性が大きく乱される。しかしながら上記炭化珪素半導体装置においては緩和領域が第１の導電型を有するので、緩和領域が第２の層につながっていても、緩和領域はチャネル特性に大きな影響を及ぼさない。よって緩和領域が形成される位置について高い精度を必要としないので、緩和領域を容易に形成することができる。

好ましくは、緩和領域の形成は、トレンチの内面の全体に第２の不純物を注入することにより行われる。これによりトレンチの内面の一部を選択的に覆うマスクを形成する必要がない。よって製造方法がより簡略化される。

上記のように本発明によれば、電界緩和構造を容易に形成することができる。

本発明の一実施の形態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１の炭化珪素基板の形状を概略的に示す斜視図である。 図２の斜視図におけるｐ型の面にハッチングを付した図である。 図１の拡大図である。 図４の矢印Ｚ１に沿うアクセプタ濃度プロファイルの一例を示す図である。 図４の矢印Ｚ１に沿う実効不純物濃度プロファイルの一例を示す図である。 図４の矢印Ｚ２に沿う実効不純物濃度プロファイルの一例を示す図である。 比較例における、図４の矢印Ｚ１に沿う位置での電界強度を示す図である。 実施例における、図４の矢印Ｚ１に沿う位置での電界強度を示す図である。 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１の炭化珪素半導体装置の製造方法の４第工程を概略的に示す部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造方法の５第工程を概略的に示す部分断面図である。 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。 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。 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２２の線ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩに沿う（１１−２０）面の結晶構造を示す図である。 図１８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１８の複合面を（０１−１０）面から見た図である。 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。 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２１の変形例を示す図である。

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。

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、ゲート酸化膜２０１（ゲート絶縁膜）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。

エピタキシャル基板１００は、単結晶基板１１０と、その上に設けられたエピタキシャル層とを有する。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は炭化珪素から作られている。この炭化珪素は、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。

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）の面方位は、好ましくは、おおよそ（０００−１）面である。

ｎ^-層１２１には、ｎ型（第１の導電型）を有するように、ｎ型を付与する不純物であるドナー（第１の不純物）が添加されている。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に行われる。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。ｎ^-層１２１は緩和領域１２１Ｒを有する。緩和領域１２１Ｒの詳細についは後述する。

ｐ型ボディ層１２２は、ｎ^-層１２１上に設けられており、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。

ｎ領域１２３はｎ型（第１の導電型）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。

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に至るトレンチＴＲを有する。トレンチＴＲは表面ＳＷを有する側壁を有する。また本実施の形態においてはトレンチＴＲはさらに、平坦な底部を有する。表面ＳＷはｐ型ボディ層１２２上においてチャネル面を含む。好ましくは表面ＳＷは所定の結晶面（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。

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面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。

ゲート酸化膜２０１（図１）はトレンチＴＲを被覆している。具体的にはトレンチＴＲの表面ＳＷ上および底部上にゲート酸化膜２０１が設けられている。このゲート酸化膜２０１はｎ領域１２３の上面上にまで延在している。ゲート電極２０２は、トレンチＴＲに埋め込まれている。ゲート酸化膜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。ゲート電極２０２はゲート酸化膜２０１を介してｐ型ボディ層１２２の表面ＳＷに対向している。ゲート電極２０２の上面は、ゲート酸化膜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。ゲート酸化膜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、層間絶縁膜２０３が設けられている。

図４に示すように、ｎ^-層１２１に含まれる緩和領域１２１Ｒは、ゲート電極２０２との間にゲート酸化膜２０１を挟んでいる。緩和領域１２１Ｒは本実施の形態においては、ｎ^-層１２１にトレンチＴＲの内面全体に沿って設けられている。よって緩和領域１２１Ｒは、トレンチＴＲの底部上に設けられれおり、特にこの底部の角部に設けられている。緩和領域１２１Ｒには、ｎ^-層１２１における緩和領域１２１Ｒ以外の部分と同様に、ドナーが添加されている。また緩和領域１２１Ｒには、ｐ型（第２の導電型）を付与する不純物であるアクセプタ（第２の不純物）が、ドナーの濃度に比して低い濃度で添加されている。これにより緩和領域１２１Ｒにおいて、添加されたドナーの一部がアクセプタによって相殺されている。

緩和領域１２１Ｒは１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のアクセプタの濃度を有することが好ましい。好ましくは、緩和領域１２１Ｒの少なくとも一部において、ドナー（第１の不純物）の濃度からアクセプタ（第２の不純物）の濃度を差し引いた値、すなわち実効不純物濃度は、ドナーの濃度の１０％以下である。好ましくは、緩和領域１２１Ｒは２００ｎｍ以上の厚さを有する。

さらに図５〜図７を参照して、エピタキシャル基板１００における不純物の濃度の例について詳しく説明する。

図５は、トレンチＴＲの角部におけるゲート酸化膜２０１とｎ^-層１２１との境界に位置する点Ｏ１から深さ方向（図４における矢印Ｚ１）におけるアクセプタ濃度Ｎ_pのプロファイルの一例を示す図である。この場合、１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のアクセプタの濃度を有する緩和領域１２１Ｒ（図４）が、ゲート酸化膜２０１とｎ^-層１２１との境界から厚さＤ_mで形成されている。好ましくは厚さＤ_mは２００ｎｍ以上である。好ましくは、点Ｏ１におけるアクセプタ濃度Ｎ_Iは１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上である。好ましくは、緩和領域１２１Ｒにおける最大のアクセプタ濃度Ｎ_Kは、緩和領域１２１Ｒにおけるドナー濃度の９０％以上である。

図６は、矢印Ｚ１（図４）に沿う実効不純物濃度Ｎ_Eのプロファイルの一例を示す図である。図５のようなアクセプタ濃度Ｎ_pのプロファイルが設けられる結果、緩和領域１２１Ｒにおける実効不純物濃度Ｎ_Eは、ｎ^-層１２１における緩和領域１２１Ｒ以外の部分に比して小さくされている。矢印ＤＳ（図６）に示す、緩和領域１２１Ｒにおける実効不純物濃度Ｎ_Eの落ち込み部分を横軸方向に積分した値は、緩和領域１２１Ｒの形成のために注入されるアクセプタのドース量に対応している。

図７は、トレンチＴＲから離れた位置における、厚さ方向（図４の矢印Ｚ２）に沿う、実効不純物濃度Ｎ_Eのプロファイルである。このプロファイルに示すように、ｎ^-層１２１の実効不純物濃度に比してｐ型ボディ層１２２およびｎ領域１２３の実効不純物濃度ははるかに高い。よって緩和領域１２１Ｒの形成のためのアクセプタの注入（図５）の際に本実施の形態のように、ｎ^-層１２１だけでなくｐ型ボディ層１２２およびｎ領域１２３にもアクセプタが注入されても、この注入はｐ型ボディ層１２２およびｎ領域１２３には大きな影響を及ぼさない。

次にＭＯＳＦＥＴ５００がオフ状態にある場合における、ゲート酸化膜２０１中の電界強度のシミュレーション結果の一例について説明する。図８は、緩和領域１２１Ｒが設けられない場合（比較例）における、矢印Ｚ１（図４）に沿う位置での電界強度Ｅのシミュレーション結果の一例を示す図である。ゲート酸化膜２０１中での電界強度Ｅの最大値は７．８ＭＶ／ｃｍであった。図９は、緩和領域１２１Ｒが設けられた場合（実施例）における、矢印Ｚ１（図４）に沿う位置での電界強度Ｅのシミュレーション結果の一例を示す図である。ゲート酸化膜２０１中での電界強度Ｅの最大値は６．４ＭＶ／ｃｍであった。よって緩和領域１２１Ｒを設けたことで、電界強度Ｅの最大値が７．８ＭＶ／ｃｍから６．４ＭＶ／ｃｍへと低減され得ることがわかった。

なおこのシミュレーションにおいては、図６および図７示す不純物プロファイルを用いた。またトレンチＴＲの深さは１．８μｍとした。またドレイン電圧は６００Ｖとした。

次にＭＯＳＦＥＴ５００（図１）の製造方法について説明する。
図１０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されることで、エピタキシャル基板が形成される。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、このとき導電型がｎ型の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。

図１１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、コンタクト領域１２４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およびコンタクト領域１２４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、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、ｎ型を付与するための不純物がイオン注入される。なおイオン注入の代わり、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。

図１２に示すように、ｎ領域１２３およびコンタクト領域１２４からなる面上に、開口部を有するマスク層２４７が形成される。マスク層２４７として、たとえばシリコン酸化膜などの絶縁膜を用いることができる。開口部はトレンチＴＲ（図１）の位置に対応して形成される。

図１３に示すように、マスク層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。

次に、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。

図１４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。この際、トレンチＴＲの側壁として、ｎ^-層１２１、ｐ型ボディ層１２２およびｎ領域１２３の各々からなる部分を有する表面ＳＷが形成される。表面ＳＷ上においては特殊面が自己形成される。

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層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。次にマスク層２４７がエッチングなど任意の方法により除去される（図１５）。

図１６に示すように、イオンビームＩＢによるイオン注入によって、トレンチＴＲの底部上からｎ^-層１２１内へアクセプタを注入することにより、トレンチＴＲの底部上に緩和領域１２１Ｒが形成される。アクセプタの注入は、緩和領域１２１Ｒにおいてアクセプタの濃度がドナーの濃度よりも小さくなるように行われる。

この工程において、ｐ型ボディ層１２２、ｎ領域１２３およびコンタクト領域１２４の一部または全部にもアクセプタが注入されてもよい。ｐ型ボディ層１２２、ｎ領域１２３およびコンタクト領域１２４はｎ^-層１２１に比して実効不純物濃度がはるかに高いので、本工程によるアクセプタ注入の影響をほとんど受けない。よってこの工程においては、高精度のイオン注入マスクを特に必要とせず、図示しているようにマスクを設けずに行うことも可能である。この場合、トレンチＴＲの内面の全体にアクセプタが注入される。

好ましくは、注入されるアクセプタのドース量は１×１０¹¹ｃｍ^-2以上である。このイオン注入は多段階に渡って行われてもよく、たとえば、２７０ｋｅＶで７×１０¹⁰ｃｍ^-2、１８０ｋｅＶで７×１０¹⁰ｃｍ^-2、１００ｋｅＶで５×１０¹⁰ｃｍ^-2、５０ｋｅＶで３×１０¹⁰ｃｍ^-2の４つの工程が行われてもよい。次に、イオン注入により注入された不純物を活性化するための活性化アニールが行われる。

図１７に示すように、エピタキシャル基板１００のトレンチＴＲの内面を被覆するゲート酸化膜２０１が形成される。ゲート酸化膜２０１は、たとえば、炭化珪素からなるエピタキシャル層を熱酸化することにより得られる。

図１８に示すように、トレンチＴＲの内部の領域をゲート酸化膜２０１を介して埋めるように、ゲート酸化膜２０１上にゲート電極２０２が形成される。ゲート電極２０２の形成方法は、たとえば、導体の成膜とＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）とによって行い得る。

図１９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およびゲート酸化膜２０１上に層間絶縁膜２０３が形成される。

図２０を参照して、層間絶縁膜２０３およびゲート酸化膜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。

本実施の形態によれば、ｎ^-層１２１におけるトレンチＴＲ近傍に緩和領域１２１Ｒ（図４）が形成される。緩和領域１２１Ｒはｎ型であってｐ型ではない。仮に緩和領域がｐ型であるとすると、この緩和領域がｐ型ボディ層１２２につながった場合、ｐ型を有する領域としてのｐ型ボディ層１２２が拡張されてしまうので、ｐ型ボディ層１２２上に形成されるチャネルの特性が大きく乱される。しかしながら本実施の形態においては緩和領域１２１Ｒがｎ型を有するので、図４に示すように緩和領域１２１Ｒがｐ型ボディ層１２２につながっていても、緩和領域１２１Ｒはチャネル特性に大きな影響を及ぼさない。よって緩和領域１２１Ｒが形成される位置について高い精度を必要としないので、緩和領域１２１Ｒを容易に形成することができる。

緩和領域１２１Ｒが１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のアクセプタの濃度Ｎ_p（図５）を有する場合、ゲート酸化膜２０１に加わる電界をより緩和し得る。

緩和領域１２１Ｒの少なくとも一部において実効不純物濃度Ｎ_E（図６）がドナーの濃度の１０％以下である場合、ゲート酸化膜２０１に加わる電界をより緩和し得る。

緩和領域１２１Ｒが２００ｎｍ以上の厚さを有する場合（図６）、ゲート酸化膜２０１に加わる電界をより緩和し得る。

トレンチＴＲが開口側に向かってテーパ状に拡がっている場合（図４）、トレンチＴＲ内へイオンビームＩＢ（図１６）を容易に入射させることができる。よってトレンチＴＲ上への緩和領域１２１Ｒの形成を容易に行うことができる。

緩和領域１２１Ｒの形成が、トレンチＴＲの内面の全体にアクセプタを注入することにより行われる場合（図１６）、トレンチＴＲの内面の一部を選択的に覆うマスクを形成する必要がない。よって製造方法がより簡略化される。

なお本実施の形態のトレンチＴＲは平坦な底部を有するが、トレンチの形状はこれに限定されるものではなく、底部が凹部であってもよい。たとえばトレンチの形状はＶ字状であってもよい。

また本実施の形態においては第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以外のＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また炭化珪素半導体装置は、ＭＩＳＦＥＴに限定されるものではなく、トレンチゲート構造を有するものであればよく、たとえばトレンチ型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。

（特殊面を有する表面）
チャネル面をなす、ｐ型ボディ層１２２の表面ＳＷ（図４）は、好ましくは、特殊面を有する表面である。そのような表面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。

より好ましくは、表面ＳＷは面Ｓ１を微視的に含み、表面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。

好ましくは、表面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。

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。

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。

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Ｂ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。

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。

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２２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２２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。

次に図２６を参照して、表面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表面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は表面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。

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。

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。

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。

図２８に示すように、表面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を表面ＳＷが含んでもよい。この場合、表面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、表面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。
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。

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）、１２１Ｒ 緩和領域、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 ゲート酸化膜（ゲート絶縁膜）、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 マスク層、５００ ＭＯＳＦＥＴ（炭化珪素半導体装置）。

Claims (7)

1. 炭化珪素半導体装置であって、
   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、前記第３の層および前記第２の層を貫通して前記第１の層に至り、前記第１の層上に底部を有するトレンチが設けられており、前記炭化珪素半導体装置はさらに
   前記トレンチに埋め込まれたゲート電極と、
   前記トレンチ内において前記炭化珪素基板と前記ゲート電極とを隔てるゲート絶縁膜とを備え、前記第１の層は、前記ゲート電極との間に前記ゲート絶縁膜を挟む緩和領域を含み、前記緩和領域には、前記第１の導電型を付与する第１の不純物が添加されており、かつ前記第２の導電型を付与する第２の不純物が前記第１の不純物の濃度に比して低い濃度で添加されている、炭化珪素半導体装置。
2. 前記緩和領域は１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上の前記第２の不純物の濃度を有する、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記緩和領域の少なくとも一部において、前記第１の不純物の濃度から前記第２の不純物の濃度を差し引いた値は前記第１の不純物の濃度の１０％以下である、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
4. 前記緩和領域は２００ｎｍ以上の厚さを有する、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。
5. 前記トレンチは開口側に向かってテーパ状に拡がっている、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。
6. 炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   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形成する工程を備え、前記第１の層には前記第１の層が前記第１の導電型を有するように第１の不純物が添加されており、前記製造方法はさらに
   前記第３の層および前記第２の層を貫通して前記第１の層に至り、前記第１の層上に底部を有するトレンチを形成する工程と、
   前記トレンチの前記底部上から前記第１の層内へ前記第２の導電型を付与するための第２の不純物を注入することにより前記底部上に緩和領域を形成する工程とを備え、前記緩和領域を形成する工程は、前記緩和領域において前記第２の不純物の濃度が前記第１の不純物の濃度よりも小さくなるように行われ、前記製造方法はさらに
   前記炭化珪素基板の前記トレンチの内面を被覆するゲート絶縁膜を形成する工程と、
   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。
7. 前記緩和領域を形成する工程は、前記トレンチの前記内面の全体に前記第２の不純物を注入することにより行われる、請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

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