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JPH0243338B2 - - Google Patents
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JPH0243338B2 - - Google Patents

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JPH0243338B2
JPH0243338B2 JP61167923A JP16792386A JPH0243338B2 JP H0243338 B2 JPH0243338 B2 JP H0243338B2 JP 61167923 A JP61167923 A JP 61167923A JP 16792386 A JP16792386 A JP 16792386A JP H0243338 B2 JPH0243338 B2 JP H0243338B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の構造に関するものであ
る。本発明の装置構造は従来構造と比較して、よ
り微細となり、また高速動作を行なうのにより適
したものである。
〔従来の技術〕
第1図に断面構造を示した半導体装置は、半導
体集積回路(IC、LSI)に用いられている従来の
バイポーラ・トランジスタである。
従来のトランジスタの構造は、npnトランジス
タを例にとれば、p型Si基板11上に設けられた
n型Siエピタキシヤル存13内にp型ベース領域
14を形成し、さらにベース領域14内にn型エ
ミツタ領域15を形成することによつて得られ
る。なお、図中で、12および12′はn+型埋込
み層およびコレクタ電極取り出しn+型拡散領域
であり、16は隣接素子との分離用p型領域であ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この様に従来の素子構造では、トランジスタの
活性領域、非活性領域を全てpn接合によつて分
離されているため、主に次の様な欠点がある。
ベース領域中の非活性領域とコレクタ領域と
の容量が大きいため、消費電力が大きく、高速
動作に不向きである。
ベース領域14、エミツタ領域15、n+
拡散領域12′、分離領域16が、独立した光
学的エツチング工程によつて形成されるため、
互のホトマスクの合わせ精度による余裕を考え
て設計しなければならない。そのため、素子面
積が大きくなる。
上記、において、特にの容量の問題は重
要である。
すなわち、集積回路デバイスの性能を表わす際
の基本的な目安である速度と消費電力とは、使用
するトランジスタの電流値と、この電流で充放電
する必要がある寄生素子をも含めた素子の静電容
量とにより決定される。所定の電流値に対して、
トランジスタを動作させるのに必要が電力の値
は、この容量値に比例するので、容量値が小さけ
れば小さいほどよい。また所定の内部抵抗に対し
て、トランジスタのRC時定数はこの容量に比例
するので、トランジスタの動作速度を高めるに
は、容量値の低減を図らねばならない。
本発明は、従来の半導体装置の上述の欠点を改
善し、消費電力が小さく、高速で、素子面積の小
さなバイポーラトランジスタ等の半導体装置を提
供することにある。
〔問題点を解決するための手段と作用〕
本発明の他の目的は、半導体装置の活性領域外
を酸化膜で分離して寄生容量を減少させ、さらに
耐圧の高い半導体装置を提供することにある。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。
実施例 1 第2図に、本発明の半導体装置の第1の実施例
の断面構造を示す。
第1の実施例で示す本発明のバイポーラ型トラ
ンジスタは、多結晶シリコン層28を用いること
により、非活性ベース領域を絶縁膜27上に形成
し、上記の従来装置の欠点を無くし、またベー
ス・エミツタ領域を自己整合法により形成し、上
記の従来装置の欠点を無くしている。本発明に
よる素子は、トランジスタの活性領域を凸型にす
ることによつて高速化、微細化を可能にしてい
る。なお、図の構造をnpnトランジスタとすれば
21,22,22′,23,26はそれぞれp型
Si基板、n+型埋込層、n+型高濃度領域、n型エ
ピタキシヤル層(以上22,22′,23でコレ
クタ領域)、p型分離領域であり、24,25,
27,28,29,20は、それぞれp型ベース
領域、n型エミツタ領域、酸化膜(SiO2膜等)、
多結晶Siによるp型外部ベース領域、層間絶縁膜
(SiO2膜等)、電極である。
第3図は、本実施例による半導体装置の製造工
程を示したもので、第2図の断面構造になる以前
を示してある。以下製造過程を図番にたがつて説
明する。第3図a:p型Si基板31上にn+型埋込
層拡散32を行いn型Siエピタキシヤル層33を
成長し、p型分離領域36を形成し、全面にシリ
コン酸化膜以外の絶縁膜、たとえばシリコンちつ
化膜(Si2N4)を堆積し、エツチングしてトラン
ジスタの活性部分のみシリコンちつ化膜301を
残す。さらに301をマスクとしてシリコンエピ
タキシヤル層をエツチングして、活性部分が凸型
となる様にする。このとき、エツチングにより、
マスク301の端部より内側にシリコン層が入り
込む様にする。その後、熱酸化により、酸小膜3
7を形成し、さらに金属等302を蒸着する。こ
のとき、マスク301の下部に形成されていた酸
化膜には金属302に覆われない様にする。
第3図b:エツチングによりマスク301の下
部で302に覆われていない部分の酸化膜を除去
し、さらにマスク301を除去し全面に多結晶シ
リコン層を形成し、p型不純物を拡散し、パター
ンニングして外部ベース領域38をさくる。この
時点で、エピタキシヤル層の凸部の側面のみが多
結晶シリコン層と接している。なお、全面に多結
晶層を堆積するかわりに、選択エピタキシヤル法
によりシリコン層38を形成することも可能であ
り、この場合にはシリコン層のパターンニングが
不必要となる。次に層間絶縁膜としてSiO2膜3
9を堆積する。
第3図c:活性領域上のちつ化膜301、多結
晶シリコン38、酸化膜39をリフトオフ法によ
り除去し、p型不純物を拡散して内部ベース領域
34を形成する。次に熱酸化を行い、外部ベース
領域34′を酸化する。
第3図d:n型エミツタ領域35を形成する。
その後コレクタ領域、ベース領域のコンタクト穴
を開け、電極を蒸着することにより、第2図に示
した素子が形成できる。
実施例 2 第4図は、本発明による装置構造を、集積注入
論理回路(IIL回路)に応用した実施例である。
図に示した様にIIL回路は、第2図で、エピタキ
シヤル層23をエミツタ、25をコレクタとすれ
ば容易に構成できる。
なお、図中で41はp型Si基板、42はn型埋
込層、43はn型エピタキシヤル層、44はp型
領域、45はn型領域、47は酸化膜、48は多
結晶シリコン層(p型)、49は層間絶縁膜、4
0は電極、Iはインジエクタ端子、Bはベース端
子、C1,C2はコレクタ端子である。
実施例 3 第5図は、本発明による装置構造を実現するた
めの、他の製造方法を示したものである。以下製
造方法を示す。
第5図a:p型Si基板51上にn+型埋込層52
を構け、n型Siエピタキシヤル層53を成長し、
またp型分離領域56を形成する。エピタキシヤ
ル層上に、シリコン酸化層501、シリコンちつ
化膜502、低抵抗多結晶シリコン層(p型でも
n型でも可であるが、ここでは高濃度のリン原子
が含まれているものとする)503、高濃度ガラ
ス層(ここではリンガラスとする)504を堆積
し、ホト・エツチングにより図の様にパターンニ
ングし、さらにこの多層膜をマスクとしてシリコ
ンエピタキシヤル層を凸型にエツチングする。次
に高温で熱酸化することによつて酸化膜506を
形成し、さらに上面より高真空中で金属物質等を
蒸着することにより505を形成する。このとき
505は、多層膜のオーバーハング部には蒸着さ
れない。
第5図b金属物質505をマスクしてエツチン
グを行い、凸型の端部の酸化膜を除去する。その
後505を除去し、全面に、高抵抗の多結晶シリ
コン507を堆積し、高温で処理すると、多結晶
膜507の中で多層膜中の503,504から拡
散された領域508(主に凸部の上面と端部のみ
が低抵抗となる。次にエツチング液(たとえば、
弗酸、硝酸、氷酢酸の混液)により508のみを
除去する。
第5図c:シリコンちつ化膜502の端部をエ
ツチング(サイド・エツチ)する。次に多結晶シ
リコン507にp型不純物を拡散するとともに、
ベース電極引出し領域509を形成し、その後層
間絶縁膜510を形成する。
第5図d:510をマスクとし、高濃度ガラス
層504、低抵抗多結晶層503を除去し、さら
に熱酸化して層間絶縁膜510を厚く形成する。
全面にp型不純物をイオン打込みし、ベース領域
511を形成する。
第5図e:シリコンちつ化膜502を除去し、
n型不純物をイオン打込みして、エミツタ領域5
12を形成する。
第5図f:酸化膜501を除去し、さらに、酸
化膜506,510の一部を除去して、電極51
3,514,515を形成する。513をエミツ
タ、514をベース、515をコレクタとすれ
ば、本発明による装置構造が形成できる。
以上に述べた実施例1、2、3の特徴は以下の
とおりである。
シリコンエピタキシヤル層で凸型にエツチン
グした個所をつくることにより、外部ベース領
域を酸化膜上に形成し、高速化を計つている。
内部ベースとエミツタを自己整合法により製
作する。
第3図cの34′部の熱酸化膜を厚くするこ
とにより、ベース・エミツタ耐圧を上げる。な
お、本発明の素子で、導電型をp、n逆にして
も動作は同じである。また、素子間分離領域
(第3図aの36など)を酸化膜で行つてもよ
い。
実施例 4 第6図は、本発明の半導体装置の第4の実施例
によるバイポーラ型トランジスタの素子構造の断
面積である。p型Si基板61上にn型埋込み層6
2が形成され、62上には一部開孔された酸化膜
67が形成されている。67および62上にはそ
れぞれ多結晶シリコン及び単結晶シリコン層が設
けられており、n型単結晶シリコン層部63,6
3′とn型埋込層62をコレクタ領域、64をベ
ース領域、65をエミツタ領域とするバイポー
ラ・トランジスタを構成する。なお領域66は、
多結晶シリコンを部分的に酸化することによつて
形成された分離領域である。この様に、本実施例
によるバイポーラトランジスタは、外部ベース領
域が酸化膜67上にあるため、従来の素子に比べ
て、著しくベース・コレクタ間容量が減少してい
る。本実施例のトランジスタの製造工程を第7図
に示す。p型Si基板71中にn型層72を形成す
る。次に基板表面に絶縁性膜たとえばシリコン酸
化膜77を形成し、その一部を開孔する、その後
基板全面にn型エピタキシヤル層73を形成する
(第7図a)。このとき、酸化膜77上は多結晶シ
リコン層、基板結晶が露出している部分には単結
晶シリコン層が堆積される。なお、エピタキシヤ
ル成長条件に、選択性を持たせることにより、表
面に堆積される多結晶と単結晶層の膜厚を制御
し、表面を平坦化することもできる。その後シリ
コン堆積層73中の一部を酸化し、分離領域76
を形成する。なお、分離領域は、pn接合で形成
することも可能である。その後、ベース抵抗減少
のためのp型高濃度拡散領域74′、内部ベース
領域74を形成する(第3図b)。次にn型領域
75を形成し、エミツタ領域とする。なお、この
とき、コレクタ取出し領域73′に高濃度n型層
を同時に形成すれば通常のトランジスタとなり、
n型層を形成しなげれば、シヨトキー型トランジ
スタが製造できる(第3図c)。その後、パシベ
ーシヨン膜70を形成し、電極の配線78,7
9,80を行うことにより、本発明のトランジス
タが製作できる。なお、エピタキシヤル成長時に
絶縁膜77上にシリコン層を堆積させない場合、
または、77上のシリコン層を後にエツチングし
て除去すれば、76の分離領域は不必要となる。
第8図、第9図は、本発明の半導体装置構造の
バイポーラトランジスタにおいて耐圧を増加させ
た素子構造の実施例を示したものである。
実施例 5(第8図) p型Si被板81上にp型エピタキシヤル層82
を成長させる。n型埋込層83とn型領域83′
とにより、他素子とコレクタ領域を分離する。ま
た領域84はコレクタ領域であり、低濃度のn型
導電領域である。さらにエピタキシヤル層84,
82上に一部穴開けした酸化膜89を形成し、さ
らにn型層を堆積し、その中の形成したp型領域
86をベース、ベース領域内に形成したn型領域
87をエミツタ、n型領域83′,83,84,
85,85′をコレクタとすればnpnトランジス
タが構成できる。この構造は第6図の素子構造と
異り、コレクタ領域を厚いためにトランジスタの
耐圧が増加する。なお、88は酸化膜による分離
領域である。
実施例 6 同様に高耐圧トランジスタは、n型エピタキシ
ヤル層を用いることによつても製作できる。第9
図はその断面図であり、n型層92は、p型Si基
板91上に成長させたエピタキシヤル層である。
93は、n+型型埋込層であり、当素子構造では、
隣接素子とのp型分離領域90が必要となる。酸
化膜99を形成した後の製作工程は、第8図の場
合と同様である。なお、92,93,95,9
5′はn型コレクタ領域、96はp型ベース領域、
97はn型エミツタ領域、98は酸化膜分離領域
である。
実施例 7 本発明による半導体装置の素子構造を、IIL回
路(集積注入論理回路)に応用した場合の実施例
を第10図に示す。p型Si基板101内に形成し
たn型埋込層102上に一部穴開けした酸化膜1
07を形成し、その上にシリコンn型層を堆積す
る。シリコンn型層の一部を酸化し、分離領域1
08を形成する。p型不純物を106,104に
拡散し、インジエクタ領域、ベース領域を形成す
る。ベース領域104中にn型領域105を形成
しnpn逆トランジスタのコレクタ領域を形成すれ
ばnpnトランジスタの外部ベース領域が酸化膜上
につくられたIIL回路が構成できる。なお、10
3′はラテラルpnpトランジスタのベースリ領域
である。又、103はN型領域である。この様に
して構成されたIIL回路は、次の特長を有する。
外部ベース領域がエミツタ領域に直接接して
いないため、コレクタ面積とベース面積比が大
きくなり、逆方向電流増幅率が大きい。
外部ベース領域が酸化膜上にあるため、ベー
スエミツタ間容量が少く高速動作が期待でき
る。
実施例 8 第11図は、一部穴開けした酸化膜110上の
堆積層を、選択エピタキシヤル法によつて形成し
たときのバイポーラトランジスタの素子構造の実
施例を示したものである。製造工程は第7図の場
合と同様であるが、本素子は酸化膜上にもシリコ
ン単結晶層が形成されているため、堆積層中の結
晶欠陥が少く、また分離領域がエピタキシヤル成
長時に同時に形成されるため、高密度化が出来
る。なお、111,112はp型基板及びn型埋
込層であり、110,119は酸化膜、113′,
112,113はコレクタ領域、114,115
はそれぞれベース領域、エミツタ領域であり、1
16,117,118は各領域の電極である。
以上述べた如く、実施例4、5、6、7、8に
よれば、ベース容量を減少できるため高速度で動
作するトランジスタが製作でき、また耐圧の高い
トランジスタと、高速動作のIIL回路を同一チツ
プ内に構成できる。
以上の実施例の特徴は、基板上に一部穴開けし
た酸化膜を設け、その上に通常または選択エピタ
キシヤル法によつてシリコン層を堆積し、その中
にベース・エミツタ領域を形成することによつて
高速のトランジスタを得る素子構造である。
なお、以上の実施例でp型導電層とn型導電層
を逆にした場合も同様の動作ができる。また、酸
化膜上のエピタキシヤル層をp型とした場合に
は、ベース拡散工程が省略できる。
実施例 9 第12図aの低抵抗N型Si基板121上に熱酸
化SiO2膜122、引き続きCVD Si2N4膜123
を形成する。この二層構造絶縁膜の一部にホトエ
ツチング法で開孔部124を設ける。その後、
SiCl、H2、HClの混合ガスを用いてSi薄膜をエ
ピタキシヤル成長させると、開孔部124にのみ
選択的に単結晶Siが形成される。エピタキシヤル
層の導電型は基板と同じくN型になつている。絶
縁膜の厚さより厚くエピタキシヤル層が成長する
と、第12図bに示すように絶縁膜表面に沿つて
単結晶Siのオーバーハング125が成長する。こ
のオーバーハングの長さは絶縁膜の厚さと開孔部
上に成長させたSiエピタキシヤル層の厚さの差に
ほぼ等しく、エピタキシヤル膜厚の制御により、
オーバーハングの長さを制御することが可能であ
る。こうして得られた選択成長Siエピタキシヤル
膜表面に再び熱酸化膜126を形成する。その
後、Si2N4膜のみを化学処理液(たとえば160℃
のリン酸)でエツチングを行なうと、第12図c
に示すごとくSiエピタキシヤル膜のオーバーハン
グ下部に間隙127が形成される。選択エピタキ
シヤル成長により再びSiの単結晶層128を形成
する。この層の導電型は、最初の成長層と反対の
導電型で、たとえばp型とする。またこの場合に
もオーバーハングが形成されるまでエピタキシヤ
ル層128の厚みを増加する。次に第12図dに
示す様に選択エピタキシヤル層表面の酸化膜の一
部に開孔部129を設け、この開孔部を通してイ
オン打込み法あるいは熱拡散法によりp型不純物
を導入してp型導電層130を形成する。このp
型導電層130の不純物濃度は、p型導電層12
8より低いものとする。さらに引続き、開孔部を
通してN型不純物をイオン打込みあるいは熱拡散
法で導入して、高濃度のn型導電極131を形成
する。こうして形成された各層は、パイポーラト
ランジスタのコレクタ(基板直上の選択エピタキ
シヤル層120)、ベース(p型導電層130)、
ベース電極形成用外部ベース(p型エピタキシヤ
ル層128)およびエミツタ(n型導電層13
1)として、それぞれ動作する。通常のAlを主
とする電極金属を蒸着後、ホトエツチング法で電
極パターンを形成して、それぞれエミツタ電極1
32、ベース電極133となし、基本的なバイポ
ーラトランジスタが完成する。本トランジスタの
特徴は、ベース電極引出しのための外部ベースが
絶縁膜上に形成されるため、コレクタ・ベース間
容量が小さくし得ること、隣接トランジスタ間の
アイソレーシヨンが自動的に行なえること、エピ
タキシヤル基板には通常のSi単結晶ウエーハを使
用できること、SOS構造よりもSiエピタキシヤル
層の結晶性が大幅に向上するために素子特性が改
善されることにあり、高速高集積密度の素子実現
に適している。
実施例 10 第13図は縦型接合型電界効果トランジスタの
例で、第12図はp型導電層130の工程を除い
て第12図の構造と同じになつている。この場
合、p型導電層128はゲート、n型導電層13
1′はソース、基板121はドレインとして動作
する。チヤネル幅は絶縁膜の開孔部124の幅で
基定されるため、0.5μm以下に制御することも可
能で、従来実現困難であつたノーマリオフ型動作
の素子も容易に得られ、高速、低消費電力、高集
積素子の実現に極めて有用である。
実施例 11 第14図はMOS型電界効果トランジスタの例
について示したもので、第12図cの工程に引き
続き、CVD法とホトエツチング法で多結晶Siゲ
ート134を形成する。その後表面から全面にイ
オン打込みでp型不純物を打込み、選択エピタキ
シヤル層120の、多結晶Siゲート直下以外のオ
ーバーハング領域にp型導電層135を形成す
る。この導電層の不純物濃度は選択エピタキシヤ
ル層128の濃度とほぼ等しくする。Alを主と
する電極を形成して、ゲート136、ドレイン1
37、ソース138とする。この例ではpチヤネ
ルトランジスタについて述べたが、Nチヤネルト
ランジスタについては、各工程の不純物導電型を
逆にすればよい。本トランジスタ構造でも、ソー
スおよびドレインは絶縁膜上に形成されているた
め、寄生容量が減少し、高速化が容易になる。
実施例 12 他の実施例としてI2Lへの適用例を第15図に
し示す。第15図aは第12図cと同じ工程を示
すが、隣接トランジスタ間の距離を縮めて外部ベ
ース層136が連なつた構造になつている。次に
第15図bで、一対の片側のトランジスタ表面の
酸化膜の一部を除去して、選択エピタキシヤル層
120の表面に露出部140を形成する。その後
イオン打込みあるいは熱拡散法でp型不純物を拡
散し、p型導電層141を形成する。引き続き、
第12図dの工程と同じく、他方のエピタキシヤ
ル層表面の酸化膜に開孔部142を設け、p型不
純物およびn型不純物をイオン打込みし、それぞ
れp型導電層143、n型導電層144を形成す
る。その後Alを主体とする電極を設けて、イン
ジエクタのエミツタ147、インジエクタのコレ
クタおよび逆方向動作トランジスタのベース14
5、および逆方向動作トランジスタのコレクタ1
46とする。インジエクタのベースおよび逆方向
動作トランジスタのエミツタはエピタキシヤル基
板からとする。本発明によりインジエクタのベー
ス幅は、従来のラテラルトランジスタに比して狭
く制御することが容易なため、インジエクタから
逆方向動作トランジスタのベースへの電流注入効
率が向上し、低消費電力化に対するメリツトは大
きい。またベースの寄生容量も小さいため、高速
動作の改善も著しい。
〔発明の効果〕
以上述べてきた如く、本発明は従来と全く異な
つた構造で高速動作、高集積度、低価格のトラン
ジスタおよび集積回路の実現を容易ならしめ、か
つ各種トランジスタ実現のための基本技術を提供
し得るため、そのメリツトは大きい。
以上の各実施例1〜12においては、主に半導体
としてSiを用いた例を示したが、GaAs等の他の
半導体を用いても本発明の装置を実現できる。
又、各実施例でのp型、n型の導電型を逆に用い
ることができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の半導体装置の1例としてバイポ
ーラトランジスタの構造を示す断面図、第2図は
本発明の半導体装置の1実施例であるバイポーラ
トランジスタの構造を示す断面図、第3図は第2
図のトランジスタの製造工程を示す断面図、第4
図は本発明の半導体装置の1実施例であるIILの
構造を示す断面図、第5図は第2図のトランジス
タの他の製造工程を示す断面図、第6図は本発明
の他の実施例であるバイポーラトランジスタの構
造を示す断面図、第7図は第6図のトランジスタ
の製造工程を示す断面図、第8図、第9図、第1
0図、第11図、第12図、第13図、第14
図、第15図は本発明の半導体装置の別の実施例
を示す断面図である。 21……p型Si基板、22……n型埋込層、2
3……n型Siエピタキシヤル層(コレクタ領域)、
24……p型ベース領域、25……n型エミツタ
領域、26……p型分離領域、27……絶縁膜
(SiO2等)、28……多結晶Si(外部ベース領域)、
29……絶縁膜(SiO2等)。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 単結晶半導体基体表面領域の所定部分をエツ
    チングして形成された第1および第2の凸部およ
    び低部と、該低部の底部に沿い、上記第1および
    第2の凸部の側部に延伸する第1の絶縁膜と、上
    記第1の凸部内に形成された第1導電形を有する
    第1領域と、上記第1領域の上面および下面にそ
    れぞれ接して形成された上記第1導電形とは逆の
    第2導電形を有する第2および第3領域と、上記
    第2の凸部の互いに対向する側部に沿つて上記第
    2の凸部内に互いに離間して形成された上記第1
    導電形を有する第4および第5領域と、上記第4
    および第5領域の間に介在し、上記第4および第
    5領域と接する上記第2導電形を有する第6領域
    と、上記第1の絶縁膜の表面に沿つて形成され、
    上記第1および第4領域と電気的に接続された上
    記第1導電形を有する低抵抗の多結晶半導体膜
    と、該多結晶半導体膜の上に形成された第2の絶
    縁膜を、少なくとも有することを特徴とする半導
    体装置。
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