特許 7593320 炭化珪素半導体装置およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】炭化珪素半導体装置およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/78 20060101AFI20241126BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20241126BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652K

H01L29/78 652T

H01L29/78 653A

H01L29/78 658E

H01L29/78 658A

H01L29/78 658G

H01L29/78 658F

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021537693

(86)(22)【出願日】2020-07-22

(86)【国際出願番号】 JP2020028479

(87)【国際公開番号】W WO2021024810

(87)【国際公開日】2021-02-11

【審査請求日】2023-03-22

(31)【優先権主張番号】P 2019143975

(32)【優先日】2019-08-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】田中 康太郎

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０１２６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２２７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１８８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８２０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１３５１４７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０９６７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１１４４７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１５６４２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／４２３

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ゲートトレンチが設けられた主面を有する炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
を有し、
前記ゲートトレンチは、前記主面に連なる内面を有し、
前記ゲート絶縁膜は、
前記内面上に設けられた第１部分と、
前記主面上に設けられ、前記第１部分に連なる第２部分と、
を有し、
前記ゲート電極は、
前記第１部分を介して前記ゲートトレンチ内に設けられた基部と、
前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する傘部と、
を有し、
前記ゲートトレンチの長手方向に垂直な方向からの断面視で、
前記傘部の最大幅は、前記ゲートトレンチの開口端における幅より大きく、
前記傘部の側面は、前記傘部が前記ゲート絶縁膜に接する位置と前記ゲート電極の幅が最大となる位置との間で前記主面に向けて凸状の曲面となっており、
前記傘部の幅は、前記傘部の幅が最大となる位置よりも前記主面側で、前記最大幅より小さい炭化珪素半導体装置。

【請求項2】

前記曲面の曲率半径は、前記ゲート絶縁膜の厚さの１０％以上２０％以下である請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。

【請求項3】

前記ゲート絶縁膜は、炭素を含有する請求項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】

前記傘部の側面及び上面に接し、前記ゲート絶縁膜とは組成が異なる絶縁膜を有する請求項１から請求項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】

前記ゲートトレンチは、面方位｛０－３３－８｝を有するトレンチ側面を含む請求項１から請求項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】

前記傘部の側面の前記ゲート電極の幅が最大となる位置と前記主面との間の距離は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。

【請求項7】

ゲートトレンチが設けられた主面を有する炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
を有し、
前記ゲートトレンチは、前記主面に連なる内面を有し、
前記ゲート絶縁膜は、
前記内面上に設けられた第１部分と、
前記主面上に設けられ、前記第１部分に連なる第２部分と、
を有し、
前記ゲート電極は、
前記第１部分を介して前記ゲートトレンチ内に設けられた基部と、
前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する傘部と、
を有し、
前記ゲートトレンチの長手方向に垂直な方向からの断面視で、
前記傘部の最大幅は、前記ゲートトレンチの開口端における幅より大きく、
前記傘部の幅は、前記傘部の幅が最大となる位置よりも前記主面側で、前記最大幅より小さく、
前記傘部の側面の前記ゲート電極の幅が最大となる位置と前記主面との間の距離は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である炭化珪素半導体装置。

【請求項8】

主面を有する炭化珪素基板を準備する工程と、
前記主面に、前記主面に連なる内面を備えるゲートトレンチを形成する工程と、
前記炭化珪素基板上に、前記内面上に設けられる第１部分と、前記主面上に設けられ、前記第１部分に連なる第２部分と、を有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、前記第１部分を介して前記ゲートトレンチ内に設けられた基部と、前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する疑似傘部と、を有する疑似ゲート電極を形成する工程と、
前記疑似傘部の熱酸化を行うことにより、前記疑似ゲート電極から、前記基部と、前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する傘部と、を有するゲート電極を形成する工程と、
を有し、
前記熱酸化後において、前記ゲートトレンチの長手方向に垂直な方向からの断面視で、
前記傘部の最大幅は、前記ゲートトレンチの開口端における幅より大きく、
前記傘部の幅は、前記傘部の幅が最大となる位置よりも前記主面側で、前記最大幅より小さい炭化珪素半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記疑似ゲート電極を形成する工程と、前記疑似傘部を熱酸化する工程との間に、
前記ゲート絶縁膜のエッチングを行う工程を有し、
前記エッチング後において、前記ゲート絶縁膜の縁は、前記疑似傘部の縁より内側に後退している請求項８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】

本開示は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関する。

【0002】

本出願は、２０１９年８月５日出願の日本出願第２０１９－１４３９７５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

【背景技術】

【0003】

炭化珪素基板の一方の主面にゲートトレンチが形成され、ゲートトレンチ内から主面の上方まで延出するようにゲート電極が設けられ、炭化珪素基板とゲート電極との間にゲート絶縁膜が設けられた炭化珪素半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】日本国特開２０１９－９６７９４号公報

【発明の概要】

【0005】

本開示の炭化珪素半導体装置は、ゲートトレンチが設けられた主面を有する炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、を有し、前記ゲートトレンチは、前記主面に連なる内面を有し、前記ゲート絶縁膜は、前記内面上に設けられた第１部分と、前記主面上に設けられ、前記第１部分に連なる第２部分と、を有し、前記ゲート電極は、前記第１部分を介して前記ゲートトレンチ内に設けられた基部と、前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する傘部と、を有し、前記ゲートトレンチの長手方向に垂直な方向からの断面視で、前記傘部の最大幅は、前記ゲートトレンチの開口端における幅より大きく、前記傘部の幅は、前記傘部の幅が最大となる位置よりも前記主面側で、前記最大幅より小さい。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。

【図2】図２は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図3】図３は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図4】図４は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。

【図5】図５は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その４）である。

【図6】図６は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その５）である。

【図7】図７は、第１の実施形態の変形例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。

【図8】図８は、第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図9】図９は、第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図10】図１０は、第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

［本開示が解決しようとする課題］
従来の炭化珪素半導体装置では、近年の更なる高耐圧化の要請に十分に応えることが困難である。

【0008】

そこで、本開示は、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上でき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を目的とする。

【0009】

［本開示の効果］
本開示によれば、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上できる。

【0010】

実施するための形態について、以下に説明する。

【0011】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。本明細書中の結晶学的記載においては、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。

【0012】

〔１〕 本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、ゲートトレンチが設けられた主面を有する炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、を有し、前記ゲートトレンチは、前記主面に連なる内面を有し、前記ゲート絶縁膜は、前記内面上に設けられた第１部分と、前記主面上に設けられ、前記第１部分に連なる第２部分と、を有し、前記ゲート電極は、前記第１部分を介して前記ゲートトレンチ内に設けられた基部と、前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する傘部と、を有し、前記ゲートトレンチの長手方向に垂直な方向からの断面視で、前記傘部の最大幅は、前記ゲートトレンチの開口端における幅より大きく、前記傘部の幅は、前記傘部の幅が最大となる位置よりも前記主面側で、前記最大幅より小さい。

【0013】

本発明者の鋭意検討により、ゲート絶縁膜の絶縁破壊の原因の一つとして、ゲート電極のアライメントずれにより、ゲート電極の側面とトレンチの上端との間の距離が設計値よりも小さい場合があることが明らかになった。従来の炭化珪素半導体装置の構造では、ゲート電極のゲート絶縁膜に接する部分でゲート電極の幅が最大になっているため、ゲート電極の側面の下端に電界が集中しやすい。このため、ゲート電極の側面とゲートトレンチの上端との間の距離が設計値よりも小さくなると、ゲートトレンチの開口端の角部近傍との間でゲート絶縁膜に過度の電界が印加され、十分な絶縁耐圧が得られないことがある。一方、ゲート電極に上記傘部が含まれる場合には、ゲート電極の傘部の幅が、傘部の幅が最大となる位置よりも主面側で、最大幅より小さいため、ゲート電極の側面の下端での電界集中を緩和できる。従って、製造プロセス中にアライメントずれによりゲート電極の側面とゲートトレンチの開口端との間の距離が設計値よりも小さくなっても、電界集中の緩和によって絶縁破壊が抑制され、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上できる。

【0014】

〔２〕 〔１〕において、前記傘部の側面は、前記傘部が前記ゲート絶縁膜に接する位置と前記ゲート電極の幅が最大となる位置との間で前記主面に向けて凸状の曲面となっていてもよい。傘部がゲート絶縁膜に接する位置とゲート電極の幅が最大となる位置との間で第２部分の側面が主面に向けて凸状の曲面であると、ゲート電極の幅が最大となる部分より上方の部分にかけて傾斜の変化が緩やかになり、電界集中が緩和されやすい。

【0015】

〔３〕 〔２〕において、前記曲面の曲率半径は、前記ゲート絶縁膜の厚さの１０％以上２０％以下であってもよい。曲面の曲率半径が１０％以上２０％以下であると、適度に電界集中が緩和される。

【0016】

〔４〕 〔１〕～〔３〕において、ゲート絶縁膜は、炭素を含有してもよい。炭化珪素基板の熱酸化により、炭素を含有するゲート絶縁膜を形成できる。

【0017】

〔５〕 〔１〕～〔４〕において、前記傘部の側面及び上面に接し、前記ゲート絶縁膜とは組成が異なる絶縁膜を有してもよい。ゲート電極の熱酸化によりゲート絶縁膜とは組成が異なる絶縁膜を形成できる。

【0018】

〔６〕 〔１〕～〔５〕において、前記ゲートトレンチは、面方位｛０－３３－８｝を有するトレンチ側面を含んでもよい。ゲートトレンチが、面方位｛０－３３－８｝を有するトレンチ側面を含むと、ゲートトレンチの側面において良好な移動度が得られ、チャネル抵抗を低減できる。

【0019】

〔７〕 〔１〕～〔６〕において、前記傘部の側面の前記ゲート電極の幅が最大となる位置と前記主面との間の距離は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であってもよい。この距離が５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であると、簡便な処理により優れた絶縁耐圧を得られる。

【0020】

〔８〕 本開示の他の一態様に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、主面を有する炭化珪素基板を準備する工程と、前記主面に、前記主面に連なる内面を備えるゲートトレンチを形成する工程と、前記炭化珪素基板上に、前記内面上に設けられる第１部分と、前記主面上に設けられ、前記第１部分に連なる第２部分と、を有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、前記第１部分を介して前記ゲートトレンチ内に設けられた基部と、前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する疑似傘部と、を有する疑似ゲート電極を形成する工程と、前記疑似傘部の熱酸化を行うことにより、前記疑似ゲート電極から、前記基部と、前記基部及び前記第２部分上に設けられ、前記第２部分に接する傘部と、を有するゲート電極を形成する工程と、を有し、前記熱酸化後において、前記ゲートトレンチの長手方向に垂直な方向からの断面視で、前記傘部の最大幅は、前記ゲートトレンチの開口端における幅より大きく、前記傘部の幅は、前記傘部の幅が最大となる位置よりも前記主面側で、前記最大幅より小さい。

【0021】

疑似傘部の熱酸化では、疑似傘部のゲート絶縁膜と接する部分の近傍において優先的に酸化が進行し、疑似傘部がゲート絶縁膜に接する部分での幅が、最大幅より小さくなる。このため、ゲート電極の側面の下端での電界集中を緩和できる。従って、製造プロセス中にアライメントずれによりゲート電極の側面とトレンチの上端との間の距離が設計値よりも小さくなっても、電界集中の緩和によって絶縁破壊が抑制され、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上できる。

【0022】

〔９〕 〔８〕において、前記疑似ゲート電極を形成する工程と、前記疑似傘部を熱酸化する工程との間に、前記ゲート絶縁膜のエッチングを行う工程を有し、前記エッチング後において、前記ゲート絶縁膜の縁は、前記疑似傘部の縁より内側に後退していてもよい。疑似傘部の熱酸化の前にゲート絶縁膜の縁を疑似傘部の縁より内側に後退させておくことで、疑似傘部と主面との間で疑似ゲート電極をより広範囲にわたって酸化させることができ、絶縁耐圧をより向上できる。

【0023】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

【0024】

〔第１の実施形態〕
まず、本開示の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、いわゆる縦型の炭化珪素半導体装置に関する。図１は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。

【0025】

図１に示すように、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００は、炭化珪素基板１と、ソース電極１６と、ドレイン電極３０と、ソース配線１９と、ゲート絶縁膜４０と、ゲート電極５０と、層間絶縁膜４５とを主に有している。炭化珪素基板１は、炭化珪素単結晶基板１１と、炭化珪素エピタキシャル層２とを含んでいる。炭化珪素エピタキシャル層２は、炭化珪素単結晶基板１１上に設けられている。炭化珪素基板１は、第１主面１０と、第２主面２０とを有している。第２主面２０は、第１主面１０の反対側にある。炭化珪素エピタキシャル層２は第１主面１０を構成する。炭化珪素単結晶基板１１は第２主面２０を構成する。

【0026】

第１主面１０は、たとえば（０００－１）面または（０００－１）面に対して８°未満のオフ角で傾斜した面である。オフ角は、６°以下であってもよいし、４°以下であってもよい。オフ角は、２°以上であってもよい。炭化珪素単結晶基板１１および炭化珪素エピタキシャル層２は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素である。炭化珪素単結晶基板１１は、たとえば窒素（Ｎ）などのｎ型不純物を含みｎ型の導電型を有する。

【0027】

ドレイン電極３０は、第２主面２０に設けられている。ドレイン電極３０は、炭化珪素単結晶基板１１の導電型に応じて、ｎ型の場合たとえばニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）、ｐ型の場合たとえばチタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）を含む材料により構成されている。ドレイン電極３０は、ｎ型、ｐ型に関わらず、たとえばチタンアルミニウムシリコン（ＴｉＡｌＳｉ）を含む材料により構成されていてもよい。

【0028】

炭化珪素基板１は、ドリフト領域１２と、ボディ領域１３と、ソース領域１４と、コンタクト領域１８とを主に含んでいる。ドリフト領域１２は、たとえば窒素などのｎ型不純物を含み、ｎ型の導電型（第１導電型）を有する。ドリフト領域１２のｎ型不純物の濃度は、たとえば７×１０^１５ｃｍ^－３程度である。炭化珪素単結晶基板１１のｎ型不純物の濃度は、ドリフト領域１２のｎ型不純物の濃度よりも高くてもよい。

【0029】

ボディ領域１３は、ドリフト領域１２上にある。ボディ領域１３は、ドリフト領域１２に接している。ボディ領域１３は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）などのｐ型不純物を含み、ｐ型の導電型（第２導電型）を有する。ゲート絶縁膜４０と対向するボディ領域１３の領域において、チャネルが形成可能である。

【0030】

ソース領域１４は、ボディ領域１３上にある。ソース領域１４は、ボディ領域１３と接する。ソース領域１４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。ソース領域１４は、たとえば窒素またはリン（Ｐ）などのｎ型不純物を含んでおり、ｎ型の導電型を有する。ソース領域１４は、第１主面１０の一部を構成している。ソース領域１４のｎ型不純物の濃度は、ドリフト領域１２のｎ型不純物の濃度よりも高くてもよい。

【0031】

コンタクト領域１８は、たとえばボディ領域１３と、ソース領域１４とに接している。コンタクト領域１８は、たとえばアルミニウムなどのｐ型不純物を含んでおり、ｐ型の導電型を有する。コンタクト領域１８が含むｐ型不純物の濃度は、ボディ領域１３が含むｐ型不純物の濃度よりも高くてもよい。コンタクト領域１８は、ボディ領域１３と第１主面１０とを繋いでいる。コンタクト領域１８は、第１主面１０の一部を構成していてもよい。なお、上記各不純物領域におけるｎ型不純物またはｐ型不純物の濃度は、たとえば二次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）法により測定可能である。

【0032】

第１主面１０には、ゲートトレンチ６が設けられている。たとえば、第１主面１０は、平坦部５を有し、ゲートトレンチ６は、トレンチ側面３と、底面４とを備えた内面６Ａを有している。ゲートトレンチ６は、トレンチ側面３と、底面４とにより規定されている。トレンチ側面３は、平坦部５に連なる。つまり、内面６Ａは第１主面１０に連なる。トレンチ側面３は、ボディ領域１３とソース領域１４を貫通してドリフト領域１２に至っている。底面４は、トレンチ側面３に連なる。底面４は、ドリフト領域１２に位置している。

【0033】

ゲートトレンチ６の長手方向に垂直な方向からの断面視において、ゲートトレンチ６は、たとえばＵの字状の形状を有している。すなわち、断面視において、トレンチ側面３は、平坦部５に対してほぼ垂直であり、底面４は、平坦部５とほぼ平行である。ソース領域１４とボディ領域１３とドリフト領域１２とは、ゲートトレンチ６のトレンチ側面３を構成している。ドリフト領域１２は、ゲートトレンチ６の底面４を構成している。

【0034】

ゲート絶縁膜４０は、内面６Ａ及び第１主面１０上に設けられている。ゲート絶縁膜４０は、ゲート電極５０と炭化珪素基板１とを隔てる。ゲート絶縁膜４０は、たとえば炭化珪素の熱酸化膜である。ゲート絶縁膜４０は、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）及び炭素（Ｃ）を含む材料により構成されている。ゲート絶縁膜４０中の炭素の割合は、たとえば１０質量％以上９０質量％以下である。ここでいう炭素の割合は、たとえばＳＩＭＳ法により測定可能である。

【0035】

ゲート絶縁膜４０の厚さは、たとえば２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下程度である。ゲート絶縁膜４０は、トレンチ側面３において、ソース領域１４と、ボディ領域１３と、ドリフト領域１２と接している。ゲート絶縁膜４０は、底面４において、ドリフト領域１２と接している。ゲート絶縁膜４０は、内面６Ａ上に設けられた第１部分４１と、第１主面１０上に設けられ、第１部分４１に連なる第２部分（フランジ部）４２とを有する。

【0036】

ゲート電極５０は、たとえばリンなどの不純物を含むポリシリコンにより構成されている。リンなどの不純物は、たとえば閾値電圧の調整のために含まれている。ゲート電極５０は、断面視で、Ｔの字型の断面形状を有する。すなわち、ゲート電極５０は、ゲートトレンチ６内の基部５１と、基部５１上の傘部５２とを有する。傘部５２は、面内方向でゲートトレンチ６の両側に張り出し、ゲート絶縁膜４０の第２部分４２を覆う。面内方向とは、炭化珪素基板１の厚さ方向に垂直な面内の方向である。傘部５２の側面５３の下端は第２部分４２に接する。側面５３は、傘部５２の上端から下方に向かうほど面内方向で基部５１から離間する上側傾斜部５４と、ゲート絶縁膜４０の第２部分４２との接触部５７から上方に向かうほど面内方向で基部５１から離間する下側傾斜部５５とを有する。

【0037】

ゲート電極５０の幅は、上側傾斜部５４と下側傾斜部５５との境界５６の高さで最大となっている。つまり、ゲート電極５０は、境界５６の高さにゲート電極５０の最大の幅ＷＧ_１を有する。また、境界５６の高さでの幅ＷＧ_１は、ゲートトレンチ６の上端における開口幅ＷＴより大きい。下側傾斜部５５において、側面５３は第２部分４２との接触部５７から上方に向かうほど面内方向で基部５１から離間するため、ゲート電極５０の接触部５７での幅ＷＧ_２は幅ＷＧ_１より小さい。すなわち、傘部５２の幅は、傘部５２の幅が最大となる位置よりも第１主面１０側で、最大の幅ＷＧ_１より小さい。後述のように、上側傾斜部５４および下側傾斜部５５はゲート電極５０の熱酸化により形成されてもよく、下側傾斜部５５は、たとえば接触部５７と境界５６との間で第１主面１０に向けて凸状の曲面となっている。この凸状の曲面の曲率半径は、好ましくはゲート絶縁膜４０の厚さの１０％以上２０％以下である。曲率半径がゲート絶縁膜４０の厚さの１０％未満では、ゲート電極５０の最大の幅ＷＧ_１を有する境界５６がゲート絶縁膜４０に近すぎて、優れた絶縁耐圧を得にくい場合がある。また、曲率半径がゲート絶縁膜４０の厚さの２０％超では、上側傾斜部５４および下側傾斜部５５がゲート電極５０の熱酸化により形成されている場合に、ゲート電極５０の熱酸化が過剰であるおそれがある。例えば、ゲート電極５０の熱酸化の際にゲート絶縁膜４０とボディ領域１３との界面に新たに酸素原子が到達してボディ領域１３が更に酸化され、この界面の特性が劣化しているおそれがある。より好ましくは、下側傾斜部５５の凸状の曲面の曲率半径は、ゲート絶縁膜４０の厚さの１５％以上２０％以下である。具体的には、下側傾斜部５５の凸状の曲面の曲率半径は、たとえば５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。

【0038】

境界５６において側面５３は緩やかな凸状の曲面となっていることが好ましい。境界５６の近傍で側面５３の傾斜が急激に変化する場合、境界５６の近傍に電界が集中しやすいためである。基部５１は第１部分の一例であり、傘部５２は第２部分の一例である。炭化珪素基板１の厚さ方向において、ゲート電極５０の第１主面１０よりゲートトレンチ６の底側に位置する部分の厚さは、たとえばゲート電極５０の厚さの６０％以上９０％以下である。

【0039】

傘部５２の側面５３と上面５８とに接する被覆絶縁膜６０が形成されている。被覆絶縁膜６０は、たとえばリンなどの不純物を含むポリシリコンの熱酸化膜である。被覆絶縁膜６０は、たとえば二酸化珪素およびリンなどの不純物を含む材料により構成されている。傘部５２と平坦部５との間で、被覆絶縁膜６０はバーズビークの形状を有する。境界５６と平坦部５との間には、被覆絶縁膜６０およびゲート絶縁膜４０が存在し、境界５６と平坦部５との間の距離Ｌは、好ましくは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、より好ましくは１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。距離Ｌが５ｎｍ未満では、ゲート電極５０の最大の幅ＷＧ_１を有する境界５６がゲート絶縁膜４０に近すぎて、優れた絶縁耐圧を得にくい場合がある。距離Ｌを１５ｎｍ超とするには、煩雑な処理が必要になるおそれがある。

【0040】

層間絶縁膜４５は、被覆絶縁膜６０およびゲート絶縁膜４０に接して設けられている。層間絶縁膜４５は、たとえば二酸化珪素を含む材料により構成されている。層間絶縁膜４５及び被覆絶縁膜６０は、ゲート電極５０とソース電極１６とを電気的に絶縁している。

【0041】

ソース電極１６は、第１主面１０に接している。具体的には、ソース電極１６は、第１主面１０においてソース領域１４に接している。ソース電極１６は、コンタクト領域１８と接していてもよい。ソース電極１６は、たとえばチタン（Ｔｉ）と、アルミニウムと、珪素（Ｓｉ）とを含む材料により構成されている。ソース電極１６は、たとえばソース領域１４とオーミック接合している。ソース配線１９は、ソース電極１６に接している。ソース配線１９は、たとえばアルミニウムを含む材料により構成されている。

【0042】

次に、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００の製造方法について説明する。図２～図６は、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００の製造方法を示す断面図である。

【0043】

まず、図２に示すように、炭化珪素基板１が準備される。たとえば昇華法を用いて炭化珪素単結晶基板１１が準備される。炭化珪素単結晶基板１１の最大径は、たとえば１００ｍｍ以上であり、好ましくは１５０ｍｍ以上である。次に、炭化珪素単結晶基板１１上にエピタキシャル層が形成される。たとえば原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）とプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）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（Ｈ_２）を用い、ドーパントガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）を用いた化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により、炭化珪素単結晶基板１１上にドリフト領域がエピタキシャル成長により形成される。

【0044】

次に、イオン注入が実施される。ドリフト領域１２の表面に対して、たとえばアルミニウムなどのｐ型不純物がイオン注入される。これにより、ドリフト領域１２と接するボディ領域１３が形成される。次に、ボディ領域１３に対して、たとえばリンなどのｎ型不純物がイオン注入される。これにより、ｎ型の導電型を有するソース領域１４が形成される。ソース領域１４は、第１主面１０を構成する。ソース領域１４が含むｎ型不純物の濃度は、ボディ領域１３が含むｐ型不純物の濃度よりも高い。次に、ソース領域１４に対して、たとえばアルミニウムなどのｐ型不純物がイオン注入されることにより、コンタクト領域１８が形成される。

【0045】

次に、炭化珪素基板１にイオン注入された不純物を活性化するため活性化アニールが実施される。活性化アニールの温度は、好ましくは１５００℃以上１９００℃以下である。活性化アニールの時間は、たとえば３０分程度である。活性化アニールの雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、たとえばアルゴン（Ａｒ）雰囲気である。

【0046】

次に、図３に示すように、ゲートトレンチ６が形成される。たとえば、ソース領域１４およびコンタクト領域１８から構成される第１主面１０上に、ゲートトレンチ６が形成される位置上に開口を有するマスクが形成される。そして、マスクを用いて、ソース領域１４の一部と、ボディ領域１３の一部と、ドリフト領域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（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）、特に誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching：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六フッ化硫黄（ＳＦ_６）またはＳＦ_６と酸素（Ｏ_２）との混合ガスを用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いることができる。ゲートトレンチ６の形成後、マスクが除去される。

【0047】

次に、ゲート絶縁膜４０が形成される。たとえば、炭化珪素基板１が、酸素を含む雰囲気中において、たとえば１３００℃以上１４００℃以下の温度で加熱される。これにより、第１部分４１と第２部分４２とを備えたゲート絶縁膜４０が形成される。第１部分４１は、底面４においてドリフト領域１２と接し、かつトレンチ側面３においてドリフト領域１２と、ボディ領域１３と、ソース領域１４とに接する。炭化珪素基板１の熱酸化により形成されるゲート絶縁膜４０は、たとえば二酸化珪素及び炭素を含む。ゲート絶縁膜４０がＣＶＤ法などの他の方法により形成されてもよい。ゲート絶縁膜４０が熱酸化により形成された場合、炭化珪素基板１の一部がゲート絶縁膜４０に取り込まれる。このため、以降の処理では、熱酸化後のゲート絶縁膜４０と炭化珪素基板１との間の界面に第１主面１０、内面６Ａが若干移動したものとする。一方、ゲート絶縁膜４０がＣＶＤ法等の堆積法により形成された場合、炭化珪素基板１はゲート絶縁膜４０に取り込まれないため、第１主面１０、内面６Ａの位置は移動しない。

【0048】

ゲート絶縁膜４０の形成後に、一酸化窒素（ＮＯ）ガス雰囲気中において炭化珪素基板１に対して熱処理（ＮＯアニール）が行われてもよい。ＮＯアニールにおいて、炭化珪素基板１が、たとえば１１００℃以上１３００℃以下の条件下で１時間程度保持される。これにより、ゲート絶縁膜４０とボディ領域１３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ることで、チャネル移動度を向上させることができる。なお、窒素原子の導入が可能であれば、ＮＯガス以外のガス（たとえばＮ_２Ｏ）が雰囲気ガスとして用いられてもよい。ＮＯアニールの後にさらに、雰囲気ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いるＡｒアニールが行われてもよい。Ａｒアニールの加熱温度は、たとえば上記ＮＯアニールの加熱温度以上である。Ａｒアニールの時間は、たとえば１時間程度である。これにより、ゲート絶縁膜４０とボディ領域１３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る。

【0049】

次に、疑似ゲート電極５０Ｘが形成される。たとえば、減圧化学気相成長（Low Pressure Chemical Vapor Deposition：ＬＰＣＶＤ）法によりポリシリコン膜の堆積が行われ、その後にポリシリコン膜のドライエッチングが行われる。この時点で、疑似ゲート電極５０Ｘは、基部５１および疑似傘部５２Ｘを有し、疑似傘部５２Ｘの側面５３Ｘは疑似傘部５２Ｘの上端から下方に向かうほど面内方向で基部５１から離間する傾斜面となっている。

【0050】

次に、図４に示すように、被覆絶縁膜６０が形成される。たとえば、疑似ゲート電極５０Ｘが、酸素を含む雰囲気中において、たとえば８５０℃以上９５０℃以下の温度で加熱される。また、雰囲気中の酸素の割合は、たとえば１０体積％以上１００体積％以下であり、８０体積％以上９０体積％以下であることが好ましい。これにより、疑似ゲート電極５０Ｘから、基部５１と、傘部５２とを有するゲート電極５０が形成されるとともに、傘部５２の側面５３と上面５８とに接する被覆絶縁膜６０が形成される。側面５３Ｘの酸化の進行は一様ではなく、第２部分４２との接触部５７の近傍において優先的に酸化が進行する。この結果、側面５３に、接触部５７から上方に向かうほど面内方向で基部５１から離間する下側傾斜部５５が形成される。また、優先的な酸化の影響を受けない部分では、酸化がほぼ一様に進行して、傘部５２の上端から下方に向かうほど面内方向で基部５１から離間する上側傾斜部５４が形成される。疑似ゲート電極５０Ｘの熱酸化により形成される被覆絶縁膜６０は、たとえば二酸化珪素およびリンなどの不純物を含む。

【0051】

この結果、ゲート電極５０の幅は、上側傾斜部５４と下側傾斜部５５との境界５６の高さで最大となる。つまり、傘部５２は、境界５６の高さにゲート電極５０の最大の幅ＷＧ_１を有するようになる。また、境界５６の高さでの幅ＷＧ_１は、ゲートトレンチ６の上端における開口幅ＷＴより大きい。下側傾斜部５５において、側面５３は接触部５７から上方に向かうほど面内方向で基部５１から離間するため、ゲート電極５０の接触部５７での幅ＷＧ_２は幅ＷＧ_１より小さくなる。すなわち、傘部５２の幅は、傘部５２の幅が最大となる位置よりも第１主面１０側で、最大の幅ＷＧ_１より小さくなる。

【0052】

また、側面５３Ｘの酸化の進行の程度は連続的に変化し、側面５３の下側傾斜部５５は、たとえば接触部５７と境界５６との間で第１主面１０に向けて凸状の曲面となる。この結果、傘部５２と平坦部５との間で、被覆絶縁膜６０がバーズビークの形状を有する。また、境界５６においても側面５３は凸状の曲面となる。

【0053】

次に、図５に示すように、層間絶縁膜４５が形成される。たとえば、ゲート電極５０および被覆絶縁膜６０を覆い、かつゲート絶縁膜４０と接するように層間絶縁膜４５が形成される。層間絶縁膜４５は、たとえばＣＶＤ法により形成される。層間絶縁膜４５は、たとえば二酸化珪素を含む材料により構成されている。次に、ソース領域１４およびコンタクト領域１８上に開口部が形成されるように、層間絶縁膜４５およびゲート絶縁膜４０の一部がエッチングされる。これにより、コンタクト領域１８およびソース領域１４がゲート絶縁膜４０から露出する。

【0054】

次に、図６に示すように、ソース電極１６およびソース配線１９が形成される。具体的には、第１主面１０においてソース領域１４およびコンタクト領域１８に接するソース電極１６が形成される。ソース電極１６は、たとえばスパッタリング法により形成される。ソース電極１６は、たとえばＴｉ、ＡｌおよびＳｉを含む材料により構成されている。次に、合金化アニールが実施される。具体的には、ソース領域１４およびコンタクト領域１８と接するソース電極１６が、たとえば９００℃以上１１００℃以下の温度で５分程度保持される。これにより、ソース電極１６の少なくとも一部が、炭化珪素基板１が含む珪素と反応してシリサイド化する。これにより、ソース領域１４とオーミック接合するソース電極１６が形成される。次に、ソース電極１６と電気的に接続されるソース配線１９が形成される。ソース配線１９は、ソース電極１６および層間絶縁膜４５上に形成される。

【0055】

次に、第２主面２０において、ドレイン電極３０が形成される。ドレイン電極３０は、たとえばＮｉＳｉを含む材料により構成されている。ドレイン電極３０を構成する材料は、たとえばスパッタリングにより形成される。次に、スパッタリングにより形成された材料に対してレーザーアニールが行われる。これにより、ドレイン電極３０を構成する材料が合金化する。なお、レーザーアニールによる合金化のかわりに、加熱処理、例えば急速加熱処理（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）による処理による合金化が行われてもよい。ドレイン電極３０の形成前に炭化珪素基板１の裏面が研磨されてもよい。

【0056】

このようにして、第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００を製造できる。

【0057】

第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００では、ゲート電極５０の接触部５７での幅ＷＧ_２が、上側傾斜部５４と下側傾斜部５５との境界５６の高さでの幅ＷＧ_１より小さい。このため、傘部５２の側面５３の下端での電界集中を緩和することができる。従って、製造プロセス中にゲート電極５０のアライメントずれによりゲート電極５０の側面５３とゲートトレンチ６の上端との間の距離が設計値より小さくなっても、優れた絶縁耐圧を得られる。

【0058】

また、下側傾斜部５５はゲート電極５０の熱酸化により容易に凸状の曲面とすることができる。そして、下側傾斜部５５が凸状の曲面となっていると、側面５３の傾斜の変化が緩やかであり、電界集中をより緩和できる。

【0059】

更に、ゲート絶縁膜４０と傘部５２との間に、たとえばゲート電極５０の熱酸化により形成される被覆絶縁膜６０が存在するため、ゲート絶縁膜４０に印加される電界をより緩和できる。

【0060】

また、上記の製造方法によれば、ゲート電極５０のアライメントずれが生じても、適切な幅を有し、電界集中を抑制できるゲート電極５０と被覆絶縁膜６０とを容易に形成できる。

【0061】

〔第１の実施形態の変形例〕
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。変形例は、ゲートトレンチの断面形状の点で第１の実施形態と相違する。図７は、第１の実施形態の変形例に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。

【0062】

第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００では、断面視において、ゲートトレンチ６がＵの字状の形状を有しているのに対し、変形例に係る炭化珪素半導体装置１０１では、断面視において、ゲートトレンチ６がＶの字状の形状を有している。すなわち、炭化珪素半導体装置１０１では、断面視において、ゲートトレンチ６の幅が底面４に向かってテーパ状に狭まるようにトレンチ側面３が傾斜している。トレンチ側面３は、たとえば（０００－１）面に対して５２°以上７２°以下傾斜している。トレンチ側面３は、たとえば｛０－３３－８｝面を含む。底面４は、平坦部５とほぼ平行である。

【0063】

他の構成は第１の実施形態と同様である。

【0064】

変形例に係る炭化珪素半導体装置１０１によっても、炭化珪素半導体装置１００と同様の効果を得られる。更に、トレンチ側面３が（０００－１）面に対して適切な範囲で傾斜しているため、トレンチ側面３において良好な移動度が得られ、チャネル抵抗を低減できる。

【0065】

〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、製造方法の点で第１の実施形態と相違している。また、製造方法の相違に基づき、第２の実施形態は、ゲート電極５０及び被覆絶縁膜６０の構成の点でも第１の実施形態と相違している。以下、第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明しながら、第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成についても説明する。図８～図１０は、第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【0066】

まず、第１の実施形態と同様にして、疑似ゲート電極５０Ｘの形成までの処理が行われる（図３参照）。次に、図８に示すように、平坦部５上のゲート絶縁膜４０の一部が除去される。具体的には、平坦部５上のゲート絶縁膜４０のうち、疑似ゲート電極５０Ｘから露出している部分と、疑似ゲート電極５０Ｘの疑似傘部５２Ｘと平坦部５との間で疑似傘部５２Ｘの両側部近傍の部分とが除去され、疑似傘部５２Ｘと平坦部５との間にゲート絶縁膜４０の一部が残される。つまり、ゲート絶縁膜４０の縁が疑似傘部５２Ｘの縁より内側に後退する。この結果、疑似傘部５２Ｘの下面５９の一部が露出する。ゲート絶縁膜４０の疑似傘部５２Ｘと平坦部５との間で除去される部分の割合は、たとえば１％～５％程度である。ゲート絶縁膜４０の一部は、たとえばウェットエッチングにより除去される。ウェットエッチングのエッチング溶液には、たとえばフッ酸（ＨＦ）が用いられる。

【0067】

次に、図９に示すように、被覆絶縁膜６０が形成される。たとえば、疑似ゲート電極５０Ｘが、酸素を含む雰囲気中において、たとえば８５０℃以上９５０℃以下の温度で加熱される。また、雰囲気中の酸素の割合は、たとえば１０体積％以上１００体積％以下であり、８０体積％以上９０体積％以下であることが好ましい。これにより、疑似ゲート電極５０Ｘから、基部５１と、傘部５２とを有するゲート電極５０が形成されるとともに、傘部５２の側面５３と上面５８とに接する被覆絶縁膜６０が形成される。側面５３Ｘの酸化の進行は一様ではなく、第２部分４２との接触部５７の近傍において優先的に酸化が進行する。この結果、側面５３に、接触部５７から上方に向かうほど面内方向で基部５１から離間する下側傾斜部５５が形成される。また、優先的な酸化の影響を受けない部分では、酸化がほぼ一様に進行して、傘部５２の上端から下方に向かうほど面内方向で基部５１から離間する上側傾斜部５４が形成される。この結果、側面５３に上側傾斜部５４と下側傾斜部５５とが形成される。また、平坦部５も酸化されるため、ゲート絶縁膜４０が、再度、ソース領域１４およびコンタクト領域１８に接する部分を含むようになる。

【0068】

第２の実施形態では、被覆絶縁膜６０の形成の前に、疑似傘部５２Ｘと平坦部５との間でゲート絶縁膜４０の一部が除去されている。このため、被覆絶縁膜６０は、第１の実施形態と比較して、基部５１により近く入り込む。つまり、被覆絶縁膜６０は、第１の実施形態と比較して先端がより深く形成されたバーズビークの形状を有する。

【0069】

次に、図１０に示すように、第１の実施形態と同様にして、層間絶縁膜４５の形成以降の処理が行われる。

【0070】

このようにして、第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置２００を製造できる。

【0071】

第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置２００では、炭化珪素基板１の厚さ方向にて、傘部５２と平坦部５との間で被覆絶縁膜６０をより広範囲にわたって形成できるため、絶縁耐圧をより向上できる。

【0072】

以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

【符号の説明】

【0073】

１：炭化珪素基板
２：炭化珪素エピタキシャル層
３：トレンチ側面
４：底面
５：平坦部
６：ゲートトレンチ
６Ａ：内面
１０：第１主面
１１：炭化珪素単結晶基板
１２：ドリフト領域
１３：ボディ領域
１４：ソース領域
１６：ソース電極
１８：コンタクト領域
１９：ソース配線
２０：第２主面
３０：ドレイン電極
４０：ゲート絶縁膜
４１：第１部分
４２：第２部分
４５：層間絶縁膜
５０：ゲート電極
５０Ｘ：疑似ゲート電極
５１：基部
５２：傘部
５２Ｘ：疑似傘部
５３、５３Ｘ：側面
５４：上側傾斜部
５５：下側傾斜部
５６：境界
５７：接触部
５８：上面
５９：下面
６０：被覆絶縁膜
１００、１０１、２００：炭化珪素半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】