JPH0563200A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0563200A
JPH0563200A JP3222896A JP22289691A JPH0563200A JP H0563200 A JPH0563200 A JP H0563200A JP 3222896 A JP3222896 A JP 3222896A JP 22289691 A JP22289691 A JP 22289691A JP H0563200 A JPH0563200 A JP H0563200A
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pmos
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gate
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Tetsunobu Kouchi
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極数が少なく素子分離領域が小さく、か
つ、ラッチアップ耐性の高い半導体装置を実現する。 【構成】 絶縁体106の主面に形成された絶縁ゲート
型電界効果トランジスタにおいて、埋込みのドレイン領
域101,203および、埋込みのゲート領域105を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置、特に半導
体集積回路装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】集積回路中に使われる論理回路には、高
集積度,高速動作,低消費電力等の機能を持ち合わせた
機能素子が必要とされ、近年ではプレーナ型のCMOS
トランジスタで形成された論理回路が上記要求を満たす
素子として広く使われている。図9は従来のプレーナ型
CMOSトランジスタで形成された反転論理回路の構造
を説明するための模式図である。
【0003】図9において、501はP型基板、502
はn- 層、503はp- 層、504はLOCOS酸化
膜、505は層間絶縁膜、506はP型MOSトランジ
スタの基板電位をとるためのn+ 層、507はPMOS
のドレインp+ 層、508はPMOSのソースp+ 層、
509はNMOSのソースn+ 層、510はNMOSの
ドレインn+ 層、511はNMOSの基板電位をとるた
めのp+ 層である。512はゲート酸化膜、513はP
MOSのゲート電極、514はNMOSのゲート電極で
ある。
【0004】PMOSのドレイン507とn+ 層506
は最高電位を与えられ、NMOSのドレイン510とp
+ 層511は最低電位を与えられる。PMOSとNMO
Sのゲート電極513,514は配線金属により互いに
接続され、入力端子となり、PMOSのソース508と
NMOSのソース509は互いに配線金属により接続さ
れ出力端子になり反転論理回路を形成している。
【0005】ゲート電極513および514にNMOS
のVTH以上の電圧、たとえば最高電位を印加すると、N
MOSのゲート直下にチャネルが形成され、NMOSの
ドレイン510とソース509が導通する。チャネルを
通じて電子電流が流れ、出力端子は最低電位に保持され
る。
【0006】次にゲート電極513および514に(最
高電位+PMOSのVTH)以下の電圧、たとえば最低電
位を印加すると、PMOSのゲート直下にチャネルが形
成され、PMOSのドレイン507とソース508が導
通する。チャネルを通じて正孔電流が流れ、出力端子は
最高電位に保持される。
【0007】このように、入力端子に最高電位を与えた
時には出力端子は最低電位に保持され、入力端子に最低
電位を与えた時には出力端子は最高電位に保持されるこ
とでインバータ動作を実現している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例のようなプ
レーナ型CMOSトランジスタでは、ゲート長,コンタ
クトホール寸法,配線幅を微細化することにより素子寸
法を縮小している。
【0009】しかしながら、上記従来例では (1)表面にゲート領域を形成する必要がある。
【0010】(2)LOCOSによりNMOSとPMO
Sを素子分離する必要がある。
【0011】ことにより、素子寸法に限界があり、さら
なる縮小化が困難であり、寄生サイリスタによるラッチ
アップが発生するといった問題点があった。
【0012】本発明は電極数が減らせ、素子分離領域を
小さくでき、素子寸法をさらに縮小することができ、か
つ、ラッチアップ耐性の高い半導体装置を実現すること
を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、絶縁体の主面に形成された絶縁ゲート型
電界効果トランジスタにおいて、埋込みのドレイン領域
および、埋込みのゲート領域を有することを特徴とす
る。
【0014】
【作用】本発明においては、絶縁基板上に埋込みのドレ
イン領域と埋込みのゲートを設け、その埋込みゲートの
両側にPMOSとNMOSを形成することにより、電極
数が少なく、素子寸法が小さく、ラッチアップ耐性の高
い半導体装置を実現することができる。
【0015】
【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を説明
する。
【0016】図1は本発明の第1の実施例を示し、図1
(A)は模式的断面図、図1(B)はその上面図、図1
(C)は回路図である。
【0017】図1において、1はPチャネルMOSトラ
ンジスタ、2はNチャネルMOSトランジスタである。
101はPMOSの埋込ドレイン領域、102はPMO
Sのチャネル領域、103はPMOSのソース領域、1
04はPMOS,NMOS共通のゲート酸化膜、105
はポリシリコンゲート電極、106はSiO2 などから
なる絶縁基板、108は絶縁膜、109はPMOSのド
レインおよびウェル共通の埋込み電極、110はNMO
Sのドレイン、およびウェル共通の埋込み電極、111
はPMOSおよびNMOSのソースおよびゲート電極、
210はNMOSのソース領域、202はNMOSのチ
ャネル領域、203はNMOSの埋込みドレイン領域で
ある。
【0018】PチャネルMOSトランジスタ1はドレイ
ン101とウェル102に最高電位を与えられ、Nチャ
ネルMOSトランジスタ2のドレイン203とウェル2
02に最低電位が与えられる。PMOSトランジスタ1
とNMOSトランジスタ2のゲート104は共通で入力
端子となり、PMOS1のソース103とNMOS2の
ソース201が互いに接続されて出力端子になり、反転
論理回路を構成している。入力端子に最高電位を印加す
ると、NMOSトランジスタ2が導通し、出力端子に最
低電位があらわれる。入力端子に最低電位を印加する
と、PMOSトランジスタ1が導通し、出力端子に最高
電位があらわれ、反転論理回路として動作する。
【0019】図2を参照して図1に示した半導体装置の
製造法を説明する。
【0020】(1)絶縁基板106上にp+ ドレイン層
101とn+ ドレイン層203を堆積パターニングする
(図2(A))。
【0021】(2)その上、全面にn- 層102をCV
D法により形成する(図2(B))。
【0022】(3)n- 層102およびp+ ドレイン層
101,n+ ドレイン層203をエッチングして絶縁基
板106の表面を露出する(図2(C))。
【0023】(4)上に積んだn- 層102の一方にイ
オン注入し、アニールによりp- 層202を形成する
(図2(D))。
【0024】(5)上に積んだn- 層102中にはp+
ソース領域103を、p- 層202中にはn+ ソース領
域201をそれぞれイオン注入およびアニールにより形
成する(図2(E))。
【0025】(6)熱酸化によりゲート酸化膜104を
形成する(図2(F))。
【0026】(7)CVD法によってポリシリコンを堆
積した後エッチバックを行い、ポリシリコンの埋込み層
105を形成する(図2(G))。
【0027】(8)CVD法によって層間絶縁膜108
を堆積する(図2(H))。
【0028】(9)エッチングによりドレインおよびウ
ェルのコンタクトホール108Aを形成する(図2
(I))。
【0029】(10)コンタクトホール108A内にア
ルミニウムを埋込み、ドレインとウェル共通の電極10
9,110を形成する(図2(J))。
【0030】(11)エッチングによりソースおよびゲ
ートのコンタクトホール108Bを形成する(図2
(K))。
【0031】(12)コンタクトホール108B内にア
ルミニウムを埋込み、ソースおよびゲート電極111を
形成して図1に示した装置が作製される。
【0032】この時、PMOSおよびNMOSのソース
電極が互いに接続するようにアルミニウムをパターニン
グすることで、反転論理回路が形成される。
【0033】ゲート電極105にNMOSのVTH以上の
電圧、たとえば最高電位を印加すると、NMOSのゲー
ト直下にチャネルが形成され、NMOSのドレイン20
3とソース201が導通する。チャネルを通じて電子電
流が流れ、出力端子は最低電位に保持される。
【0034】次にゲート電極105に(最高電位+PM
OSのVTH)以下の電圧、たとえば最低電位を印加する
と、PMOSのゲート直下にチャネルが形成され、PM
OSのドレイン101とソース103が導通する。チャ
ネルを通じて正孔電流が流れ、出力端子は最高電位に保
持される。
【0035】このように、入力端子に最高電位を与えた
時には出力端子は最低電位に保持され、入力端子に最低
電位を与えた時には出力端子は最高電位に保持されるこ
とでインバータ動作を実現している。
【0036】本実施例によればゲート電極がひとつで良
く、ゲートがPMOSとNMOSの分離領域を兼ねてい
るので、新たに分離領域を必要せず、電極数を減らし分
離領域を小さくすることでより小さな寸法の論理回路を
形成することができる。
【0037】さらに、絶縁基板上に形成されているの
で、ラッチアップ耐性の高い論理回路を形成することが
できる。
【0038】本発明に好適な埋込み電極形成法はアルキ
ルアルミニウムハイドライドのガスと水素ガスとを用い
て基体中に表面反応により堆積膜を形成するものであ
る。
【0039】この方法は、上述した金属電極を形成する
のに適した成膜方法である。本発明に好適な成膜方法と
は、アルキルアルミニウムハイドライドのガスと水素ガ
スとを用いて、電子供与性の基体上に表面反応により堆
積膜を形成するものである(以下Al−CVD法と称す
る)。
【0040】特に、原料ガスとしてモノメチルアルミニ
ウムハイドライド(MMAH)またはジメチルアルミニ
ウムハイドライド(DMAH)を用い、反応ガスとして
ガスを用い、これらの混合ガスの下で基体表面を加
熱すれば良質のAl膜を堆積することが出来る。ここ
で、Al選択堆積の際には直接加熱または間接加熱によ
り基体の表面温度をアルキルアルミニウムハイドライド
の分解温度以上450℃未満に保持することが好まし
く、より好ましくは260℃以上440℃以下がよい。
【0041】基体を上記温度範囲になるべく加熱する方
法としては直接加熱と間接加熱とがあるが、特に直接加
熱により基体を上記温度に保持すれば高堆積速度で良質
のAl膜を形成することができる。例えば、Al膜形成
時の基体表面温度をより好ましい温度範囲である260
℃〜440℃とした時、300Å〜5000Å/分とい
う抵抗加熱の場合よりも高い堆積速度で良質な膜が得ら
れるのである。このような直接加熱(加熱手段からのエ
ネルギーが直接基体に伝達されて基体自体を加熱する)
の方法としては、例えば、ハロゲンランプ、キセノンラ
ンプ等によるランプ加熱があげられる。また、間接加熱
の方法としては抵抗加熱があり、堆積膜を形成すべき基
体を支持するための堆積膜形成用の空間に配設された基
体支持部材に設けられた発熱体等を用いて行うことが出
来る。
【0042】この方法により電子供与性の表面部分と非
電子供与性の表面部分とが共存する基体にCVD法を適
用すれば電子供与性の基体表面部分にのみ良好な選択性
のもとにAlの単結晶が形成される。このAlは電極/
配線材料として望まれるあらゆる特性に優れたものとな
る。即ち、ヒルロックの発生確率の低減、アロイスパイ
ク発生確率の低減が達成されるのである。
【0043】これは、電子供与性の表面としての半導体
や導電体からなる表面上に良質のAlを選択的に形成で
き、かつそのAlが結晶性に優れているが故に、下地の
シリコン等との共晶反応によるアロイスパイクの形成等
がほとんどみられないか極めて少ないものと考えられ
る。そして、半導体装置の電極として採用した場合には
従来考えられてきたAl電極の概念を越えた従来技術で
は予想だにしなかった効果が得られるのである。
【0044】以上のように電子供与性の表面例えば絶縁
膜に形成され半導体基体表面が露出した開孔内に堆積さ
れたAlは単結晶構造となることを説明したが、このA
l−CVD法によれば以下のようなAlを主成分とする
金属膜をも選択的に堆積でき、その膜質も優れた特性を
示すのである。
【0045】たとえば、アルキルアルミニウムハイドラ
イドのガスと水素とに加えてSiH ,Si26
Si38 ,Si(CH34 ,SiCl4 ,SiH2
Cl2,SiHCl3 等のSi原子を含むガスや、Ti
Cl4 ,TiBr4 ,Ti(CH34 等のTi原子を
含むガスや、ビスアセチルアセトナト銅Cu(C57
2 ),ビスジピバロイルメタナイト銅Cu(C1119
22 ,ビスヘキサフルオロアセチルアセトナト銅C
u(C5 HF622 等のCu原子を含むガスを適宜
組み合わせて導入して混合ガス雰囲気として、例えばA
l−Si,Al−Ti,Al−Cu,Al−Si−T
i,Al−Si−Cu等の導電材料を選択的に堆積させ
て電極を形成してもよい。
【0046】また、上記Al−CVD法は、選択性に優
れた成膜方法であり且堆積した膜の表面性が良好である
ために、次の堆積工程に非選択性の成膜方法を適用し
て、上述の選択堆積したAl膜および絶縁膜としてのS
iO2 等の上にもAl又はAlを主成分とする金属膜を
形成することにより、半導体装置の配線として汎用性の
高い好適な金属膜を得ることができる。
【0047】このような金属膜とは、具体的には以下の
とおりである。選択堆積したAl,Al−Si,Al−
Ti,Al−Cu,Al−Si−Ti,Al−Si−C
uと非選択的に堆積したAl,Al−Si,Al−T
i,Al−Cu,Al−Si−Ti,Al−Si−Cu
との組み合わせ等である。
【0048】非選択堆積のための成膜方法としては上述
したAl−CVD法以外のCVD法やスパッタリング法
等がある。
【0049】図3は本発明の第2の実施例の模式上面図
であり、ソース領域103および201をゲート104
でコの字型に囲う形にすることでラッチアップ耐性をさ
らに向上させたものである。製法および動作は第1の実
施例と同じである。
【0050】図4は本発明をNOR回路に適用した第3
の実施例の模式図であり、図4(A)は断面図、図4
(B)は上面図である。製法および効果は第1の実施例
と同じである。その動作を以下に説明する。
【0051】301はNORの第1入力端子でNMOS
のゲートおよびPMOSのゲートに接続されている。3
02はNORの第2入力端子でやはりNMOSのゲート
およびPMOSのゲートに接続されている。303はN
MOSのソースn+ 層、304はPMOSのドレインp
+ 層である。
【0052】本構造の動作を説明すると、第1入力端子
301にNMOSのVTH以上の電圧、たとえば最高電位
を印加し、かつ第2入力端子302に(最高電位+PM
OSのVTH)以下の電圧、たとえば最低電位を印加する
と、NMOS直下にチャネルが形成され、NMOSのド
レイン203とソース303が導通し、出力端子は最低
電位に保持される。この時PMOSはp+ 層101とソ
ース103がチャネルを通じて導通するが、ドレイン3
04とp+ 層101の間にチャネルは形成されないの
で、ソース103は電源にはつながらない。第1入力端
子301と第2入力端子302に印加する電圧を入れか
えると、NMOSのドレイン203とソース201がチ
ャネルを通じて導通し、出力端子は最低電位に保持され
る。この時、PMOSのソース103とp+ 層101の
間にチャネルが形成されないので、ソース103は電源
にはつながらない。次に第1および第2入力端子301
および302に共にNMOSのVTH以上の電圧、たとえ
ば最高電位を印加するとNMOS直下にチャネルが形成
され、ドレイン203はソース201および303とチ
ャネルを通じて導通し、出力端子は最低電位に保持され
る。この時、PMOS直下にはチャネルが形成されない
のでソース103は電源にはつながらない。次に第1お
よび第2入力端子301および302に共に(最高電位
+PMOSのVTH)以下の電圧、たとえば最低電位を印
加すると、PMOS直下にチャネルが形成され、ソース
103はp+ 層101を介してドレイン304と導通
し、出力端子は最高電位に保持される。この時、NMO
S直下にはチャネルが形成されないので、ソース201
および303は電源にはつながらない。
【0053】このように、第1および第2入力端子30
1および302に最低電位を与えた時にだけ、出力端子
が最高電位に保持され、それ以外の組合わせの時には最
低電位に保持されることで、NOR動作を実現してい
る。
【0054】図5は本発明をNAND回路に適用した第
4の実施例の模式図であり、図5(A)は断面図、図5
(B)は上面図である。製法および効果は第1の実施例
と同じである。
【0055】その動作を以下に説明する。
【0056】401はNANDの第1入力端子でNMO
SのゲートおよびPMOSのゲートに接続されている。
402はNANDの第2入力端子でやはりNMOSのゲ
ートおよびPMOSのゲートに接続されている。403
はNMOSのドレインn+ 層、404はPMOSのソー
スp+ 層である。
【0057】本構造の動作を説明すると、第1入力端子
401にNMOSのVTH以上の電圧、たとえば最高電位
を印加し、かつ第2入力端子402に(最高電位+PM
OSのVTH)以下の電圧、たとえば最低電位を印加する
と、PMOS直下にチャネルが形成され、PMOSのド
レイン101とソース103が導通し、出力端子は最高
電位に保持される。この時NMOSはn+ 層203とド
レイン403がチャネルを通じて導通するが、ソース2
01とn+ 層203の間にチャネルは形成されないの
で、ソース201は電源にはつながらない。第1入力端
子401と第2入力端子402に印加する電圧を入れか
えると、PMOSのドレイン101とソース404がチ
ャネルを通じて導通し、出力端子は最高電位に保持され
る。この時、NMOSのドレイン403とn+ 層203
の間にチャネルが形成されないので、ソース201は電
源にはつながらない。次に第1および第2入力端子40
1および402に共に(最高電位+PMOSのVTH)以
下の電圧、たとえば最低電位を印加すると、PMOS直
下にチャネルが形成され、ドレイン101はソース10
3および404とチャネルを通じて導通し、出力端子は
最高電位に保持される。この時、NMOS直下にはチャ
ネルが形成されないのでソース201は電源にはつなが
らない。次に第1および第2入力端子401および40
2に共にNMOSのVTH以上の電圧、たとえば最高電位
を印加すると、NMOS直下にチャネルが形成され、ド
レイン403はn+ 層203を介してソース201と導
通し、出力端子は最低電位に保持される。この時、PM
OS直下にはチャネルが形成されないので、ソース10
3および404は電源にはつながらない。
【0058】このように、第1および第2入力端子40
1および402に最高電位を与えた時にだけ、出力端子
が最低電位に保持され、それ以外の組合わせの時には最
高電位に保持されることで、NAND動作を実現してい
る。
【0059】図6は本発明を反転論理回路に適用した第
5の実施例の模式図であり、図6(A)は断面図、図6
(B)は上面図である。Al埋込層を形成するかわりに
埋込ドレイン層101および203に接するように高濃
度半導体層601および602を形成することで、ドレ
イン層の電極をとる構成にしたものである。高濃度半導
層601および602はイオン注入およびアニールによ
り容易に形成できる。本実施例の効果および動作は第1
の実施例と同じである。
【0060】図7は本発明をNOR回路に適用した第6
の実施例の模式図であり、図7(A)は断面図、図7
(B)は上面図である。Al埋込層を形成するかわりに
埋込ドレイン層101および203に接するように高濃
度半導体層602を形成することで、ドレイン層の電極
をとる構成にしたものである。高濃度半導層602はイ
オン注入およびアニールにより容易に形成できる。本実
施例の効果および動作は第4の実施例と同じである。
【0061】図8は本発明をNAND回路に適用した第
7の実施例の模式図であり、図8(A)は断面図、図8
(B)は上面図である。Al埋込層を形成するかわりに
埋込ドレイン層101および203に接するように高濃
度半導体層601を形成することで、ドレイン層の電極
をとる構成にしたものである。高濃度半導層601はイ
オン注入およびアニールにより容易に形成できる。本実
施例の効果および動作は第5の実施例と同じである。
【0062】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば絶
縁基板上に埋込みのドレイン領域を設け、埋込みのゲー
ト領域を設け、かつ、そのゲートの両側にPMOSとN
MOSをそれぞれ形成することで、表面で取り出す電極
数を減らせ、素子分離領域を小さくでき、その結果論理
回路の素子寸法を縮小することができる。
【0063】また、ラッチアップ耐性を向上させること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A),(B)および(C)は、本発明をNO
T回路に適用した第1の実施例のそれぞれ断面図,上面
図および回路図である。
【図2】図1に示した実施例の製法を説明する図であ
る。
【図3】本発明をNOT回路に適用した第2の実施例の
上面図である。
【図4】(A)および(B)は、本発明をNOR回路に
適用した第3の実施例のそれぞれ断面図および上面図で
ある。
【図5】(A)および(B)は、本発明をNAND回路
に適用した第4の実施例のそれぞれ断面図および上面図
である。
【図6】(A)および(B)は、本発明をNOT回路に
適用した第5の実施例のそれぞれ断面図および上面図で
ある。
【図7】(A)および(B)は、本発明をNOR回路に
適用した第6の実施例のそれぞれ断面図および上面図で
ある。
【図8】(A)および(B)は、本発明をNAND回路
に適用した第7の実施例のそれぞれ断面図および上面図
である。
【図9】NOT回路の従来例の断面図である。
【符号の説明】
1 PチャネルMOSトランジスタ 2 NチャネルMOSトランジスタ 101 PMOSの埋込ドレイン領域 102 PMOSのチャネル領域 103 PMOSのソース領域 104 PMOS・NMOS共通のゲート酸化膜 105 ポリシリコンゲート電極 106 絶縁基板 108 絶縁膜 109 PMOSのドレインおよびウェル共通の埋込み
電極 110 NMOSのドレインおよびウェル共通の埋込み
電極 111 PMOSおよびNMOSのソースおよびゲート
電極 201 NMOSのソース領域 202 NMOSのチャネル領域 203 NMOSの埋込ドレイン領域 301 NORの第1入力端子 302 NORの第2入力端子 303 NMOSのソース 304 PMOSのドレイン 401 NANDの第1入力端子 402 NANDの第2入力端子 403 NMOSのドレイン 404 PMOSのソース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/08 331 E 7342−4M 27/12 8728−4M

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁体の主面に形成された絶縁ゲート型
    電界効果トランジスタにおいて、埋込みのドレイン領域
    および、埋込みのゲート領域を有することを特徴とする
    半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記埋込みゲートの両側にPMOSトラ
    ンジスタとNMOSトランジスタとが形成されているこ
    とを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
JP22289691A 1991-09-03 1991-09-03 半導体装置 Expired - Fee Related JP3176962B2 (ja)

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