JPS5966159A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JPS5966159A
JPS5966159A JP57177097A JP17709782A JPS5966159A JP S5966159 A JPS5966159 A JP S5966159A JP 57177097 A JP57177097 A JP 57177097A JP 17709782 A JP17709782 A JP 17709782A JP S5966159 A JPS5966159 A JP S5966159A
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Yoshihisa Mizutani
水谷 嘉久
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/01Manufacture or treatment
    • H10D84/0123Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs
    • H10D84/0126Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs the components including insulated gates, e.g. IGFETs
    • H10D84/0165Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs the components including insulated gates, e.g. IGFETs the components including complementary IGFETs, e.g. CMOS devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/01Manufacture or treatment
    • H10D84/02Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies
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    • H10D84/038Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies using Group IV technology, e.g. silicon technology or silicon-carbide [SiC] technology using silicon technology, e.g. SiGe

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、絶縁体基板上に”設けられた半導体体層に
形成される0MO8インノ々−夕からなる半導体装置及
びその製造方法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
絶縁体基板上に設けられた半導体層を用いて構成される
半導体装置として、たとえば5OS(シリコン・オン・
サファイア)構造の半導体装1%がある。第1図は上記
SOS構造の、従来のCMOS  インバータ(相補型
MO8形反転回路)の素子構造を示す断面図である。第
1図において、サファイ゛ア基板1上に(1、シリコン
酸化膜2によって絶縁分離式れている島状の単結晶シリ
コン層3が形成される。
このシリコンH3VC,Irl、PチャネルMO8)ラ
ンゾスタのソース及びドレイン領域となるP+型領域4
,5と、NチャネルMOS )ランジスタのドレイン及
びソース領域となるN+型領領域67とが形成される。
ここでSO8構造のCMOS  インバータでは、図示
するようにPチャネルMOSトランジスタとNチャネル
MOS トランジスタの両ドレイン領域を互いに接して
形成することができる。また、上記P壁領域4.5間の
シリコン層30表面には、ダート絶縁膜となるシリコン
酸化膜8を介して、多結晶シリコンからなるPチャネル
MOSトランジスタのゲート電極9が形成てれ、同様に
上記N+型領域6,7間のシリコン層3の表面には上記
シリコン酸化膜8全介して、多結晶シリコンからなるN
チャネルMOSトランジスタのゲート電極10が形成て
れる。
でらに、PチャネルMO3)ランマスタのソース領域と
なるP+型領域4とNチャネルMOS )ランマスタの
ソース領域となる炉型領域7は、それぞれ前記シリコン
酸化膜8に開口されたコンタクトホール11 、125
:介して、アルミニウムからなるノース電(<y J 
3+ 14それぞれと電気的に接続される。そして、上
記N+型領領域6は、前記シリコン酸化膜8に開口され
たコンタクトホール15を介して、N型多結晶シリコン
からなる出力電極16と電気的に接続される。
第2図は第1図のような構成のCIl/IO8インバー
タの等価回路図である。第2図において、QlはPチャ
ネルMO8l−ランジスタ、O2はNチャネルMOSト
ランジスタ、Gはゲート端子、0は出力端子、VDD及
びVssはそれぞれ電源端子である。そして通常、上記
電源端子Vgsはアース電位(Ov)に、VDDは+1
〜+ 5 vにそれぞれ設定される・ 前記第1図に示す二つに、出力端子0に対応する出力I
L極16uNチャイ・ルMO8l−ランジスタのドレイ
ン領域となる炉型領域6から取量でれている。一方、N
チャネルMOS)ランマスタのN+型領領域6Pチャイ
・ルMO8)ランマスタのP+型領域5とは檄触して形
成されているため、この両領域間にばPN 接合が生じ
ているつこのため、第2図に示すように、PチャネルM
O8トランジスタQlと出力端子Oとの間には寄生ダイ
オードD1が図示の極性で挿入烙れている。
第3図は第2図で示でれるCMOS インt4−夕の入
;七力騎性曲線図であり、横軸にはケ゛−ト入力電圧V
Gが、縦軸には出力電圧vOがそれぞれとられている。
第2 図ノCMO8インバータにおいて、ゲート入力電
圧vGがVH2レベルに近づくと、b’lO3トラン・
ゾスタQ1がオン状態、MOSトランジスタO2がオフ
状態となり、出力端子Oはオン状態となっているMOS
 )ランマスタQ1を介して充電される。この曜1合、
ダイオードD10PN 接合における接触電位差VB 
 がこのグイメーードDIの両端に加わるため、出力電
圧vOは’VDD才で上昇せず’VB  だけ低下した
値となる。この結果、出力端子Oの電圧vOを用いる回
路における信号レベルの判別はそれだけ困難となる。
通常、PN 接合の接触電位差VB  は0.7 V程
度有り、出力電圧vOのレベル低下は、特にイ吏用する
電、源電圧が低い場合に大きな問題となる。
第4図(ζ出力電圧■0  の低下を防止するために、
N型多結晶シリコンからなる1b刀電極に替エテ、P型
多結晶シリコンからなる出力電極を設けるようにしたも
のである。すなわち、PチャネルMOSトランジスタの
ドレイン領域となるP+型領域5に、シリコン酸化膜8
に開口されたコンタクトホール17を介して、P型多結
晶シリコンからなる出力電極I8を接続している。
この場合の等価回路図は第5図に示すように、Pチャネ
ルMOSトランジスタQ3、Nチャ坏ルMO8)ランジ
スタQ4及び寄生ダイオードD2を含み、ダイオードD
2は第2図の場合とは異な9、出力端子OとNチャネル
MOS )ランマスタQ4との間に挿入てれた構成とな
る・第6図は、上記第5図の等何回路で示でれるCMO
Sインバータの人出力特性曲線図である。
第5図のCMOS  インバータにおいて、ダート入力
電圧VGがVss  レベルに近すキ、Mosトランジ
スタQ3がオン状態になると、この場合、MOSトラン
ソスマス3と出力端子0との間にダイオードが存在して
いないので、出刃電圧VOは図示するようにVDDまで
上昇する。ところが寄生ダイオードD21’j出力端子
OとNチャネルMOS )ランジスタQ4との間に存在
するため、ケ9−ト入力電圧Vo  がVDDレベルに
近っ!8M0SトランノスタQ4がオン状態となる時に
、このダイオードD2の接触電位差VB  の存在によ
り出力電圧VOはVasまで低下せずVB  だけ高い
1直となる。
このように、従来のCMOS  インバータでは出力電
極として多結晶シリコンを用いる場合、その導電型とし
てはP、Nいずれか1つに設定する必要があり、このた
めPチャイ・ル、Nチャネルいずれか一方のMOS )
ランジスタのドレイン領域に対してのみ電気的接続を図
るようにしなければならない。この結果、前記したよう
な寄生ダイオードが発生し、このダイオードの存在によ
って出力電圧の振幅が電源電圧よりも低下してしまう欠
点がある。
ところで、上記多結晶シリコンの代りにp+型領領域び
N+型領領域対して同時に電気的接続ンで図ることが可
能な金属、たとえばアルミニウムによって出力電極を構
成すれば、上記欠点は解消し得る。しかしながら、素子
の微細化が進み、集積度が増すにつれて、2つのMOS
 )ランクスタのケ9−ト電極相互間にコンタクトホー
ルを開口する余裕がなくなり、この場合にも一方のMO
S )ランジスタのドレイン領域に対してのみ電気的接
続が図られる。したがって、この場合にも、出力電圧振
幅のレベル低下は避けられない。
〔発明の目的〕
この発明は上記のような事情を考慮してな烙れたもので
、その目的は、寄生ダイオードの発生を解消することに
よって振幅の十分大@な出力電圧を得ることができる、
絶縁体基板上に設けられた半導体層を用いた半導体装置
及びその製造方法を提供することにろる。
〔発明の概要〕
この発明の一実施例によれば、サファイア基板上に堆積
形成された単結晶シリコン層に、互いにドレイン領域が
接するように形成されるNチャイ・ルMO8)ランマス
タ及びPチャネルMOSトランジスタからなるCMOS
  インバータと、上記両ドレイン領域が互いに接する
界面を含む領域に形成されるマイクロディフェクト層と
を備えた半導体装置が提供されている。
さらにこの発明によれば、サファイア基板上に単結晶シ
リコン層を堆積し、このシリコン層の所定領域にマイク
ロディフェクト層を選択的に形成し、この後、それぞれ
のドレイン領域が互いに接(7かつそれぞれの一部が上
記マイクロディフェクト層と重なるようにPチャネル及
びNチャネルMOS )ランマスタのソース及びドレイ
ン領域を形成するようにした半導体装置の製造方法が提
供されている。
〔発明の実施例〕
以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。第
7図(a)ないしくh)はこの発明をCMOSインバー
タに実施した場合に、このインバータを製造する際の各
製造工程を示す断面図である。
このインバータに次のような工程で製造でれる。
まず、第7図<−)に示すように、絶縁基体であルサフ
ァイア基板21上に、エピタキシャル成長法によって単
結晶シリコン層22に0.5μ。
の厚さに堆積形成し、続いて公知の選択酸化法を用いて
シリコン酸化膜23にエリ上記シリコン層22を絶縁分
離する。この具体的な方法としてはたとえば、絶縁分離
されるべきシリコンIB′i22上にml酸化性マスク
としてシリコン窒化膜乏ノ!ターニング形成し、この後
に選択酸化を行ない、その後、シリコン窒化膜を除去す
るような方法が採用し得る。上記絶縁分離の後は、酸素
雰囲気中で900℃の加熱処ア1(ヲ行ない、上記シリ
コン層22の露出面に250X程度の厚みのシリコン酸
化膜24を形成する。なお、上記シリコン酸化膜24を
形成する前又は後に、房の工程で形成すべきNチャネル
MOSトシンマスタ及びPチャイ・ルMOSトランジス
タのチャネル領域となる部分に不純物イオン注入を行な
って、しきい値電圧の制御を行なうようにしてもよい。
次に、第7図(b)に示すように、シリコン酸化膜24
上にフォトレジスト膜25を選択的に形成し、この嘆2
5をマスクに用いて、シリコン:冑22に5XIO/C
−のドーズ量で酸素イオンを130 keVの打込みエ
ネルギーで選択的にイオン注入してイオン注入領域26
に、26B。
26Cを形成する。
その後、フォトレジスト膜25を除去し、600〜65
0℃の窒素雰囲気中で30分程度アニール処理を行ない
、芒らに続いて900〜1100℃の窒素雰囲気中で3
0分程度再びアニール処理を行なう。この2回のアニー
ル処理を行7にうことによって上記イオン注入領域26
A。
26B、26Cが活性化でれ、これらの領域は第7図(
c)に示すように、多数のマイクロディフェクトが発生
したマイクロディフェクト領域、?7A、27B、27
CK変換される。また、・−の工程の際に、600〜6
50℃の低温アニールを行なわず、900〜1100℃
の高温アニールのみを行なっても前記イオン注入領域2
6をマイクロディフェクト領域27に変換することはで
きるうしかしながら、予め低温アニール処理を行なった
方が1.l:り安定に、再現性の良いマイクロディフェ
ク14−発生式せることかできる。さらに、マイクロデ
ィフェクトヲ効果的に発生させるためには、第7図(b
)の工程において酸素イオンと共にl X 1013/
cd程1wのドーズ量で炭素イオンをイオン注入するよ
うにしてもよい。
次に第7図(d)に示すように、写真食刻法により、シ
リコン酸化膜24の一部に出方電極用のコンタクトホー
ル28を開口し、続いて全面にCVD法によってN型不
純吻たとえば隣(P)をドープした3000Xの厚みの
多結晶シリコン全堆積した後、再ひ写真食刻法によって
この多結晶シリコンをパターニングして、Pチャネル側
のケ9−ト電極29.Nチャネル側のケ9−ト電極3゜
及び出力電極31を形成する。
次に第7図(e)に示すように、前記マイクロディフェ
クト領域、?7Aの全領域、領域27Bの一部領域及び
この周領域間のシリコン層22に対応した露出面を覆う
ように7オトレノスト膜32を選択的に形成し、続いて
このフォトレジスト膜32、前記出力電極31及び前記
f−)電極30をマスクに用いて、シリコン層22にl
Xl0/crJのドーズ量で砒素(As)  イオンを
50 keVの打込みエネルギーでイオン注入するっ 次に上記フォトレノスト膜32を除去し、今度は第7図
(f)に示すように、前記マイクロディフェクト領域2
7Cの全領域、領域27Bの一部領域及びこの周領域間
のシリコン層22に対応した露出面を覆うようにフォト
レノスト膜33′(r−1′Jq択的に形成し、続いて
このフォトレジスト膜33と前言己ダート電4愼29と
をマスクに用いて、シリコン層22にl 、X l 0
15/crlのドーズ量でホウ素(B)イオンYl: 
50 keVの打込みエネルギーでイオン注入する。
次に第7図(g)に示すように、上記フォトレノスト膜
33を除去した後、900℃の窒素雰囲気中で30分程
度の熱処理を行なって上記工程でイオン注入されiAs
  イオン及びBイオンを活性化し、Pチャネル■OS
トランマスタのソース及びドレイン領域となる一対のP
十型領域34゜35とNチャネルMO8)ランジスタの
ドレイン及びソース領域となる一対のN十型領域36゜
37を形成する。この場合、図示するように、Pチャネ
ルMO8)ランマスタのドレイン領域となるP+ 型領
域35の一部は前記マイクロディフェクト領域27Bと
重なり合った状態となりかつNチャネルMO8)ランマ
スタのドレイン領域となるN+ 型領域36の一部も領
域27Bと重なり合った状態となっている。しかも、上
記P+ 型領域35とN+ 型領域36は互いに接した
状態になっている。また、PチャネルMO8トランジス
タのソース領域となるP+ 型領域34は前記マイクロ
ディフェクト領域27Aの一部と重なり合った状態とな
り、かつNチャネルMO3)ランジスタのソース領域と
なるN+ 型領域37は前記マイクロディフェクト領域
27Cの一部と重なり合った状態となっている・なお・
前記第7図(e)の工程におけるAs  イオン注入の
際に、出力電極31下部のシリコン層22にはこの出力
ηg:A函s1がブロックとなってイオンが注入されな
いが、この領域についてはこの熱処理工程の段階で、コ
ンタクトホール28を介して出力電極31に含1れてい
るPイオンカ玉熱拡散をれるため、耐 型領域36は図
示するように連続した状態となる。
次に第71ン1(h)に示すように、CVD法にエリ全
面に5000スの厚みの・/リコン酸化g38を堆程髪
形成し、さらに糺モいてPチャネルMO8)ランマスタ
及びNチャ坏ルMOSトランジスタのソース領域となる
P+ 型領域34.N+型頭域37に対応した位置の前
記′/リコン酸化膜24及び38からなる積層構造にコ
ンタクトホール39゜40を開口し、この後、全面への
アルミニウムのにL積層、Fターニングを行なうことに
よってンーヌ電i暴41.42を形成する。
上記のようQてして製造されm CMO3インノ々−タ
の出力型4@、? 1ば、NチャネルMOSトラン・マ
スタのドレイン領域(N+・W領域36)力・ら直接取
り出され、PチャネルMOSトランジスタのドレイン領
域(P+型領域35)はN” !領域36を介して出力
電極31に接続されている。ところが、上記両ドレイン
領域の界面を含んでマイクロディフェクト領域27Bが
形成されているため、この界面においてダイオード特性
は示されず、オーミックな′混圧−電流特性力量与乏一
られる。
これは、P″−型・領域35及びN+ 型・争負域36
カ・らなるPN 接合の界面に存在する多数のマイクロ
ディフェクトに沿ってできる結晶の不連続(ディスロー
ケーション)によるトラ、ツブ準位、あるいにマイクロ
ディフェクトを中ノDとして析出するシリコン層22に
予め含まシ上−〔いる不純物、たとえば銅(Cu)  
等の重金属、等の影響により、マイクロディフェクトに
沿った電流、Pヌができるためと考えられる。したがっ
て、第7図(h)に示す工つな構成のCMOS  イン
、<−夕では、前記第2図の等何回路中の寄生グイオー
ゝD11/(相当するものに発生しない。この結J4%
、従来のように出力電圧Vo  がVDn4で上昇しな
いという不都合は生ぜず、■0  はVDTIまで上昇
させることができる。
一方、上記実施例の場合とは異なり、ケ゛−ト電極29
.30及び出力電極31としてP型不純物をドープした
多結晶・シリコンを用い、出力電極31fPチャネルM
OSトランノスタのト9レイン領域(P+型領域35)
と接続する場合には、前記第5図の等何回路中の寄生ダ
イオードD2に相当するものは上記と同じ理由に、l:
り発生しない。したがって、この場合(・こば、従来の
よう゛に出力電圧vOがVssまで低下しないという不
都合は生じない。
このようQて、この発明の(JiO3インノぐ一部では
、寄生ダイオードの発生を解消することができ、振幅の
十分大きな出力電モを得ることができる。
ところで、上記した工つに、Pチャ坏ルMOSトランマ
スタとNチャネルMO8)ランジスタの両ドVイン領域
の界面Qこ生じるINN 接合を解消づ−るためVCは
、マイクロディフェクト領域は少なくとも両トンイン領
域の界面を含む領域27Bのみを形成すれば充分である
。しかし、シリコン層22円に形成されるマイクロディ
フェクトは、それらが存在する周囲の・ンリコン中に含
まね、るディスロケーション全吸収し、また重金属等の
不純物をその周囲にとらえる、いわゆるゲッター作用を
有する。このため第7図(h)に示すように、Pチャネ
ルMO3)ランマスタ及びNチャネルMO3)ランマス
タのチャネル領賊、すなわちP+ 型領域34 t 3
5及びN+ 型領域36.37でそれぞれは烙まれてい
る領域を除いた大部分のシリコン層22中にマイクロデ
ィフェクト領域音形成することによってチー、ネル領域
のデ(スロケーションを大幅に減少させかつ重金属をケ
゛ツタ−できる。この結果、チャネル領域におけるキャ
リアのモビリティ−が11−1加して、素子のスイッチ
ング速度を上げることが可能となる。
そしてマイクロディフェクトを多く発生させるためにイ
オン注入される不純物元素としてはシリコン(Si)、
ケ゛ルマニウム(Ge)、アルゴン(Ar )、酵素(
0)、炭素(C)  等が考えられるが、効率良くマイ
クロディフェクトを発生式せ得るものとして酸素が最適
であり、特に多少の炭素全件っfc場合に最も効率が良
くなることが実験の結果明らかとなった0 なお、この発明は上記の実施例に限定されるイ、のでは
なく種々の変形が可能である。たとえば、上記実施例で
は出力電極3ノは多結晶シリコンによって形成する場合
について説明したが、これを金属、たとえばアルミニウ
ムによって形成することも可能であり、この場合の効果
は多結晶シリコンを用いたときと同じである。さらにゲ
ート電極及び出力電極における抵抗を低減化し、これに
よりスイッチング速度のL!ll高速化を図るためには
、ケ゛−ト電極文ひ出力電看をより抵抗値の低い金属、
友とえばモリブデン(MO)、プラチナ(pt)、パラ
ジウム(Pa)、タンタル(Ta)  またはこれらの
シリサイドを用いるようにしてもよい。
また上記実施例では、マイクロディフェクト領域27B
はP+ 型領域35と耐 型領域36との界面をすべて
含むように形成したが、これは界面の少なくとも一部に
形成するようにしてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明によれば、寄生ダイオード
の発生を解消することによって振幅の十分大き斤出力電
圧を得ることができる、絶縁体基板上に設けられた半導
体層を用いた半導体装置及びその製造方法を提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はSO8構造の従来のCMO8インバータの断面
図、子2図は第1図の等価回路図、第3図は第2図回路
の入出力特性曲線図、第4図は従来の他のCMO8イン
バータの断面図、第5図に第4図の等価回路図、第6図
は第5図回路の入出力特性曲線図、第7図(a)ないし
くh)はこの発明に係る半導体装置を製造する際の各製
造工程を示す断面図である。 21・・・ザファイア基板、22・・・単結晶シリコン
層、zs・・・シリコン酸化膜、24・・シリコン酸化
膜、25・・・フォトレジスト膜、26・・・イオン注
入領域、27・・・マイクロディフェクト領域、28・
・・コンタクトホール、29.30・・・ケ9−ト電極
、31・・・出力電極、32・・・フォトレジスト膜、
33・・・フォトレジスト膜、34・・・P+型令頁域
(PチャネルMO8)ランジスタのソース領域)、35
・・・P+型領域(PチャネルMO8)ランマスタのド
レイン領域)、37・・・N+型領領域NチャネルMO
8)ランジヌタのドレイン領域)、38・・・N+型領
領域NチャネルMO8)ランジスタのソース領域)、;
? 914 o・・・コンタクトホー/’、41.42
・・ソース電極。 出願人代理人  弁理士 鈴 江 武 彦第11!l 第2図 第3図 一一ヤvG 第4図 第5図 悄6図 第7151J 第7図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)絶縁基体と、この基体上に設置された半導体層と
    、この半導体層に、互いにドレイン領域が接するように
    形成される一方チャネル形MO8)ランジスタ及び他方
    チャネル形MO8)ランジスタからなる相補MO8形反
    転回路と、上記両ドレイン領域が互いに接する界面の少
    なくとも一部に形成されるマイクロディフェクト領域と
    を具備したことを特徴とする半導体装置。
  2. (2)  絶縁基体上に半導体層を堆積形成する工程と
    、上記半導体層の所定領域に選択的に不純物元素を導入
    する工程と、熱処理を行なって上記不純物元素導入部分
    を活性化してマイクロディフェクト領域を形成する工程
    と、上記半導体層の所定領域に選択的に一方導電型の不
    純物元素を導入して、そのドレイン領域の一部が上記マ
    イクロディフェクト領域と重なるように一方チャネル形
    MO3)ランジスタのソース及びドレイン領域を形成す
    る工程と、上記半導体層の所定領域に選択的に他方導電
    型の不純物元素を導入して、そのドレイン領域の一部が
    上記マイクロディフェクト領域と重なりかつドレイン領
    域が上記一方チャネル形MO8)ランジスタのドレイン
    領域と互いに接するように他方チャネル形MO8)ラン
    ジスタのソース及びドレイン領域を形成する工程とを具
    備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. (3)  前記不純物元素として酸素もしくは酸素と炭
    素の組合せからなる元素を導入し、この後にマイクロデ
    ィフェクト領域を形成するように・した特許請求の範囲
    第2項に記載の半導体装置の製造方法。
JP57177097A 1982-10-08 1982-10-08 半導体装置及びその製造方法 Pending JPS5966159A (ja)

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JP57177097A Pending JPS5966159A (ja) 1982-10-08 1982-10-08 半導体装置及びその製造方法

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JP (1) JPS5966159A (ja)

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