[发明专利]MIS型半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有5V或更高的工作电压、具有在半导体层上的由ZrO_xN_y(氧氮化锆)形成的栅极绝缘膜和在栅极绝缘膜上的栅电极的MIS型半导体器件，并且还涉及其制造方法。

背景技术

随着近年来半导体器件的进一步小型化，需要更薄的晶体管栅极的绝缘膜。然而，存在如下问题：当常规使用的SiO₂膜变薄时，漏电流增大。因此，通过使用高k(高介电常数)材料代替SiO₂来获得较厚的膜。高k材料包括HfO₂、ZrO₂、TiO₂、HfO_xN_y、ZrO_xN_y或类似材料。具体地，在专利文献1至专利文献3中公开了具有由ZrO_xN_y形成的栅极绝缘膜的MIS(金属-绝缘体-半导体)型半导体器件。

专利文献1公开了一种具有在半导体衬底上的栅极绝缘膜和在栅极绝缘膜上的栅电极的半导体器件，其中栅极绝缘膜由Zr₂ON₂或ZrO_2-2xN_4x/3形成(其中3/8＜x＜3/4)。其还公开了栅极绝缘膜是单晶或多晶。专利文献1描述了通过溅射Zr₂ON₂陶瓷靶来形成Zr₂ON₂栅极绝缘膜。其还描述了使用氩作为溅射气体，衬底温度为从600℃至800℃，溅射气压为从0.5Pa至0.2Pa。

专利文献2公开了一种具有包含氮的ZrO₂栅极绝缘膜的MIS型半导体器件，其中栅极绝缘膜在通道侧上具有比在栅电极侧上更高的氮浓度，并且栅极绝缘膜在通道侧上具有10²⁰/cm³至10²¹/cm³的氮浓度。其还描述了在从室温至800℃的温度下以及在从0.1mPa至1kPa的压力下，通过在用氩气稀释的氮和氧的混合气体中溅射来形成栅极绝缘膜。没有具体描述栅极绝缘膜所处的状态：单晶、多晶或非晶。

专利文献3公开了一种MIS型半导体器件，其中化学氧化物层、高k介质层、下金属层、俘获金属层、上金属层以及多晶半导体层依次沉积在半导体衬底上。其描述了Si或第III-V族半导体可以用作半导体衬底。高k介质层可以由ZrO_xN_y(0.5≤x≤3，0≤y≤2)形成。没有具体描述高k介电材料所处的状态：单晶、多晶或非晶。尽管描述了可以通过CVD或ALD来形成高k介质层，但是没有具体描述通过溅射形成高k介质层。

专利文献1：日本公开(kokai)特许公报号2005-44835

专利文献2：日本公开(kokai)特许公报号2005-217159

专利文献3：日本公开(kokai)特许公报号2011-3899

发明人已经研究通过使用由ZrO_xN_y形成的高k介电栅极绝缘膜来使MIS型功率器件小型化。然而，已发现，当栅极绝缘膜由ZrO_xN_y形成时，在ZrO_xN_y的某些组成比x和y下，由于所施加的高电压，阈值电压波动，导致不稳定的操作。在专利文献1至专利文献3中既未描述也未提出这样的阈值电压波动的问题。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的一个目的是使具有在半导体层上的由ZrO_xN_y形成的栅极绝缘膜和在栅极绝缘膜上的栅电极的MIS型半导体器件的阈值电压稳定化。

在本发明的第一方面中，提供了一种具有5V或更大的工作电压的MIS型半导体器件，所述MIS型半导体器件包括在半导体层上的由ZrO_xN_y形成的栅极绝缘膜和在栅极绝缘膜上的栅电极，其中栅极绝缘膜处于非晶状态，并且ZrO_xN_y的组成比x和y满足以下条件：x＞0，y＞0以及0.3≤y/x≤10。