JPS6163058A - Mos形電界効果トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Mos形電界効果トランジスタおよびその製造方法

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JPS6163058A
JPS6163058A JP59184557A JP18455784A JPS6163058A JP S6163058 A JPS6163058 A JP S6163058A JP 59184557 A JP59184557 A JP 59184557A JP 18455784 A JP18455784 A JP 18455784A JP S6163058 A JPS6163058 A JP S6163058A
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JP
Japan
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conductive layer
impurity concentration
concentration region
gate
gate electrode
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JP59184557A
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Takashi Azuma
吾妻 孝
Shogo Kiyota
清田 省吾
Takashi Aoyanagi
隆 青柳
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/20Electrodes characterised by their shapes, relative sizes or dispositions 
    • H10D64/27Electrodes not carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. gates
    • H10D64/311Gate electrodes for field-effect devices
    • H10D64/411Gate electrodes for field-effect devices for FETs
    • H10D64/511Gate electrodes for field-effect devices for FETs for IGFETs
    • H10D64/517Gate electrodes for field-effect devices for FETs for IGFETs characterised by the conducting layers
    • H10D64/518Gate electrodes for field-effect devices for FETs for IGFETs characterised by the conducting layers characterised by their lengths or sectional shapes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/60Electrodes characterised by their materials
    • H10D64/66Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes
    • H10D64/661Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes the conductor comprising a layer of silicon contacting the insulator, e.g. polysilicon having vertical doping variation
    • H10D64/662Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes the conductor comprising a layer of silicon contacting the insulator, e.g. polysilicon having vertical doping variation the conductor further comprising additional layers, e.g. multiple silicon layers having different crystal structures
    • H10D64/663Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes the conductor comprising a layer of silicon contacting the insulator, e.g. polysilicon having vertical doping variation the conductor further comprising additional layers, e.g. multiple silicon layers having different crystal structures the additional layers comprising a silicide layer contacting the layer of silicon, e.g. polycide gates

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、MOSO8形ナミックメモリの基本素子等と
して用いられるMOS形電界効果トランジスタおよびそ
の製造方法に関する。
〔発明の背景〕
一般に、MOS形電界効果トランジスタ(MOSFET
)において、ゲートがソースまたはドレインに接する端
部において相互にオーバーラツプする構造が存在すると
、それがいわゆるミラーフィードバック容量として働き
、その高周波特性が著しく損われることが知られている
( B、 Bazin etal、 ’ Theore
tical  effects of overlap
capacitance upon MOS  1nv
erter 0utput“、  Proc−IEEE
 、  Jun 、  1088 。
1968)。
すなわち、ダイナミック駆動MOS回路においては、複
数のインバータMOSIJik)ランスファMO3によ
って連結し之論理回路が用いられているが、この場合、
インバータの入力ゲート1−駆動することによって生ず
る電荷は、まずトランスファMOSのソース領域に貯え
られ、次にトランスファMOSのゲート?駆動すると、
その電荷は当該トランスファMOSのドレイン領域に転
送され、そこに貯えられて次のインバータのゲート駆動
電圧として使われる。
このとき、トランスファMOSのゲート領域とノース・
ドレイン領域との間にゲート5lOs所介し之オーバー
ラツプ領域が存在すると、そのソース″1次はドレイン
領域に貯えられ比電荷による電圧がオーバーラツプ領域
全通して容量分割され、ゲートにフィードバックされる
。この電圧はゲートt−オンさせるように働く友めに、
トランス71MOSは完全にはオフされなくなり、ノー
ス・ドレイン領域の電圧レベルは完全にオフされ几場合
の所定のレベルよりも低くなる。その減少量は、オーバ
ーラツプ領域の容量の大きさに比例するが、このために
次段インバータ入力ゲートへの枢動電圧が下がり、それ
に伴って信号伝達速度が遅くなる。さらに次々段のトラ
ンスファMOSにおいて同様の効果が起こると、それ以
降のインバータゲートへの信号レベルは極端に低くなり
、回路としての動作が不能になる。
一世代前のアルミニウム(AI )ゲートMOSFET
では、このオーバーラツプミラー容量が大きく、その低
周波数特性のために演算速度が遅くその用途はきわめて
限られたものでめったが、その後導入されたシリコンΦ
ゲートMOSFETは、先に形成したゲート電極全マス
クとしてソースまだはドレインを形成する、いわゆる自
己整合法を採用したことによりオーバーラツプミラー容
量は著しく減少させることができるようになり、。この
技術が今日のサブミクロンMOSFETまで引続き使用
されている( L、 L、 Vadaaz  et a
l。
’ 5ilicon −gate  technolo
gy” 、 IEEEspectrum、 Oct、、
  pp 28−35.1969)。
これに対し、近年この自己整合法をさらに発展させたL
DD (LightlyDoped Drain)  
法が提案され(K、 5aito et al、 ’ 
A newshort channel MOS FE
T with 1ight17doped drain
’ 、  ?5.子通信連合大会pp、 220〜,4
月、 1978 )広く採用され始めている。以下、m
1図を用いてこれを説明する。
はじめに、P形シリコン基板1上にゲートシリコン酸化
膜(Sigh膜→2を介して堆積させたり7ラクトリー
(refractor)’)金属もしくはそのシリサイ
ドまたはシリサイドとポリシリコンと全重ね合せたポリ
サイドといわれる構造をホトエツチングしてゲート電極
3を形成し、このゲート電極3tマスクとして自己整合
的にリンなどの不純物4低儂度(10個10n 程度)
fζイオン打込みし、N−M4’r:形成する(第1図
(a))。次にLPCVD (Low Pressur
e Chemical Vap。
ur Deposition )によ!+0.1〜0.
3μmのSiO雪膜雪上5面に堆積し、その後RIE’
(Reactive Ion Etching )  
によりこれ’2 m ツチングしてパターン端部に51
0z膜のサイドウオール6全形成する。このとき、RI
EにさらされたAB、A’B’領域のゲート酸化膜2も
同時にエツチングされる。なお、サイドウオール6の幅
dは、はじめに堆積したS i Ch膜5の厚さに等し
い。次いで、適切な酸化熱処理によって領域AB 、 
A’B’ に再びSigh膜Tを生成した後、すイドウ
オール6をマスクとして再び自己整合的に、Asなどの
不純物を高Q度(〜1020個/画3程度)に打込みN
+電層8全形成る(第1図(b))。
最後に、高温度熱処理により打込まれたイオンを活性化
すると、熱処理の程度に応じてN−PおよびN”P i
台面がP形シリコン基板1内に進んだ第1図(C)また
は(d)の構造が得られる。
ここで、第1図(c)の構造ではCDがゲートとソース
またはドレインとのオーバーラツプ領域となっているが
、この場合CDに対応する拡散領域が低長度N一層4で
るるために、ゲート電極−ゲ−) SiO冨膜−N一層
で構成されるMOS−??パシタとしての容i成分の寄
与は小さく、事実上ミラー容量は無いと考えてよい。し
かしながら、この偽造ではI’J−7−4がサイドウオ
ール6と接する /界面領域DEにおいてキャリアの発
生かめり、信頼性の点で問題がるるために第1図(d)
の構造をとることが多い。第11g(d)の構造では、
CEとEDとがオーバーラツプ領域となっているが、C
EはN−領域でるるため容量への寄与度は小さい。一方
、EDの領域がN+電層であるためゲート電極−ゲート
S i Ox膜−N+屑MOSキャパシタとしての容量
が犬きく、ミラー容量として働くが、その幅を充分狭く
できるために、事実上のミラー容量は小さくすることが
でき、SiO*サイドウオール6の幅d’k、A3イオ
ン打込によるN+電層側面フロントの、活性化熱処理に
よる横方向拡散長に等しくとることによって、これt実
現できる。
このようにLDD 構造にミラー容量の減少という点で
すぐれた特性全盲するものでるるか、上述したような従
来の構造および製造方法では、まずStowサイドウオ
ールを形成するためのLPGVD工程とそれに続< R
IE、さらに再酸化と3つの付加工程を必要とし、工程
長が長くなる欠点を有している。
〔発明の目的〕
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その
目的は、より簡単なプロセスによってLDD構造を実現
することが可能なMOS形電界効果トランジスタおよび
その製造方法?提供することにるる。
〔発明の概要〕
このような目的を達成するために、本発明のMOS′N
、界効果トランジスタは、ゲート電極として、エツチン
グ速度の異なる複数のNS電層からなる積層構造で、し
かも下部導電層の側面を上部導電層の側面に対して内側
に所定量後退させた構造の電極を用いたものでろる。
襲だ、本発明の製造方法は、このようなゲート電極音用
い、その下部導電層周辺部に低不純物濃度領域を形成後
、上部専冗暦tマスクとしてイオン注入上行なうことに
より高不純物濃度領域全形成し、熱処理全行なって、高
不純物濃度領域をその低不純物′Q度領領域接する側面
か下部導電層下に達するまで拡散させるものである。
LDDi造は、第1図を用いて説明したようにN” −
As打込みフロントの熱処理によってゲート端側に延び
る拡散長が5iCh+イドクオールの幅dよりも短い限
り、ゲートとソースまたはドレイ/とのオーバーラツプ
ミラー容量は生じない。したがって、上述したように従
来方法では、ゲート電極端側面を幅dのサイドウオール
で覆い、これf−rスフとして高濃度のイオン打込みを
行ない、その後の熱処理による拡散層の側面拡散フロン
トの延びがdに等しいかまだは小さくなるようにdおよ
びN”−Asの打込量と熱処理温度一時間全適正化して
いるが、サイドウオールの形成が工程7&:複雑として
いる。
そこで、サイドウオールを使わずに、ゲート電極端から
距離dだけ離れた地点に高濃度のイオン打込みt行ない
、その後の熱処理拡散によって打込み層フロントが漸く
dに届くようにできれば、これはLDD構造と等価でる
る。これを、本発明では下部導゛電層側面七下部導電層
側面に対して所定量後退させたゲート電極によって実現
している。
〔発明の実施例〕
第2図(&)〜(j)は本発明の一実施例を示す工程断
面図でるる。
まず、比較的高抵抗のP形単結晶シリコンからなるP形
シリコン基板11に対し、通常の方法で素子間分離用の
厚いLOGO8Slow膜12を形成した後(第2図(
a))、ゲートSiO2膜13を形成しく第2図(b)
)、その上に厚さ200〜300nmのポリシリコン層
14および厚さ200〜300nmのモリブデンシリサ
イドMoSi2 などのり7ラクトリ一メタルシリサイ
ド層15からなる2層膜を形成する。ポリシリコンはL
PCVD法により堆積させ、その後リン全拡散させて低
抵抗化する。
シリサイドは、例えばMo  とSi との2ガン(g
un )ターゲット−tたはMoとSiの合金の1ガン
ターゲツトを用いたスパッタ法により形成する。なお、
このようなり7ラクトリー金属のシリサイドとポリシリ
コンの2層構造上用いたゲートは、前述したようにポリ
サイドゲートとして知られている( S 、 Ziri
nsky and B、 L、Crowder。
’ RefractorySilicides  fo
r High  temperature Compp
ttble ICConductorLines“、 
 J of Electrochemical 5oc
iet7.463 RNP、124,338C,197
7)。
次に、ポジティブ形高感度しジストヲ塗布し、縮/lS
アナライザーによりゲート電極形成のためのマスク合せ
、と露光を行ない、現像して1.5〜2.0μmの線幅
のレジストバタン16を形成する(第2図(C))。
その後、まず酸素ガス金倉む7レオ/ガス(CF4 )
 ’a:用いて上層のシリサイド層15會プラズマエツ
チングしく第2図(d) ) 、引続いて異方性エツチ
ングモードの7レオン115ガス(CzCtFs)k用
いで下南のポリシリコン層14t″エツチングする(第
2図(e))。この場合、フレオン115ガス中に酸素
ガスを混入することによって、ポリシリコンt−エツチ
ングする縦方向のエツチング率Rp と、シリサイド層
とポリシリコン層との界面方向(横方向)のエツチング
”4Rt  との比が2=1になるようにエツチングプ
ロセス条件t−最適化すると、ポリシリコン層1400
.2〜0.3μmの厚さtlに対してくぼみ長dが0.
1〜0.15μmのエツチングプロファイルが得られる
。なお、tlはシリサイド層15の厚さを示し、前述し
たように本案絶倒ではtl=t、でめる(第2図(f)
)。
エツチング率比全3=1にコントロールすると、くぼみ
長dは0.07〜0.1μmとなる。
次に、このようにして形成したくぼみ構造のグーl’l
!117t−マスクとして低濃度(lo17〜1018
個/、−m  )のリン全基板主表面に対してはぼ直角
にイオン打込みし、打込/?118r形成する(第2図
(g))。イオン打込み後直ちに熱処−理企行なってリ
ンイオン全活性化させると同時に打込層の側面拡散フロ
ントラ矢印Fで示した。くぼみ状ゲート端面近傍まで拡
げN一層19に形成する(第2図(h)〕。
次に、高飛、!(1020〜1022個/(7)3)の
Asイオン打込み全行なって打込層2a全形成しく第2
図(1))、さらに打込層20の(it!1面フロント
がゲート端面にほぼ等しいかまたはそ:rLを越えるよ
うに、拡散深さX; = 0.2〜0.25 ttmの
熱処理を加える。この結果N+層21が形成される。こ
の場合、上記側面フロントがゲート端面上越える距離、
つまクゲートとソースま喪はドレインとのオーバーラツ
プ幅doはほぼ零でりることが望ましいが、ディバイス
に要求される高周波特性に応じてより大きな有限の値で
あってもかまわない。図示の例では、上記側面フロント
は、はじめの打込層フロントから(loO= 0.19
〜0.24μm移動し、0.07〜0.15μmのくぼ
み長dのゲートに対してdo= 0.04〜0.13μ
mのオーバーラツプ幅となっているが、この程度のオー
バーラツプ幅は、MOS形ダイナミックメモリ(MOS
 DIRAM)のダイナミック動作、例えば256にビ
ット、1Mビット等のDIRAMの高速動作に対して悪
影響を与えるものではないことが確認された。なお、2
度目の拡散により、リン打込みによるN一層19はゲー
ト端面上越えてさらに深く拡がって、N一層22となっ
ている(第2囚(j))。
なお、この2度目の熱処理は、実際には、図上省略した
が、全面に保護用のPSG (Phospho −8i
licate Glass )膜上形成後、そのグラス
拳フロ一工程と兼ねて行なうことができる。その場合、
グラス・フローに適切な熱処理温度と時間により拡散フ
ロントの進入量が決まり、それに合せてゲート電極の下
部導電jHの後退i?L’tr:予め所定の直に合せて
おく必要かめる。
次に、第3図(a)〜(e)(r用いて本発明の他の実
施例を説明する。なお、同図(a)〜(d)は工程断面
図、同図(e)は平頭バタ7図でるる。
まず、前述したようにエツチング速度の異なる々)電層
全利用して、ゲート’[極端全1ゲート5i02模13
に接する下面側で上面側に対してdlすなわち第1図の
LDD構造のサイドウオール6の厚さ泣対応する距離i
ピは後退させたくぼみ構造のゲート電極17に形成する
。縦方向についても、前述した実施例と同様に上部導%
、層の厚さ1.と下部4電層の厚ぜt3と?はぼ等しく
構成してるる。
次に、このようす模造に対しソースおよびドレイン部分
に、基板主表面と角度αをなす方向から低Mkのリンイ
オン打込み7行ない、打込層23?形成する(第3図(
a))。
次いで、ソースまたはドレイン面に対してほぼ直角方向
から高濃度で深いAsイオン打込みを行なって打込層2
4全形成する(第2図(b))。
次に、リンおよびA イオンの活性化のための熱処理全
行なうことにより、各打込層からはそれぞれ不純物が拡
散してN一層25およびN+電層6が形成される。この
とき、Asイオン打込層側面の拡散後のフロント、つま
vN”#26の側面フロントがくほみの深さdにほぼ等
しいか(第3図(C))、またはそれ以上進むように(
第3図(d))、熱処理の温度お・よび時間全調整する
。この場合、ゲートとソースまたはドレインとのオーバ
ーラツプ幅dofd零でるることが、ミラー容量の減少
という点では望ましいが、ディバイスに要求される結局
t1.特性に応じ適宜変えてもかまわないことは前述し
たと同様でるる。この結果、低飯度リン打込みにより形
成した打込層23の側面の拡散後のフロント、つまりN
一層25の側面フロントは、ゲート端よりも内側に深く
進入する。なお、第2図(c)において、斜線(破線)
?付した範囲がN+電層6を示す。N一層25について
は省略した。
Oこで、N−#25は、イオン打込み角度αによりゲー
ト面に対してポジティブ働ベベル(Po5itive 
 Bevel  )(R,L、Davie+s  an
d  F、E。
Gentry、’ Control  of Elec
tric  Fieldat  5urface  o
f  PN  junctions“ 、IIEEED
、、  11  、pp、313−328,1964)
 t−なすように形成され、ソースまたはドレインとサ
ブストレイト間の電界強度ケ低くし、いわゆるホットキ
ャリア効果(F、 C,Hsu and H,R,Gr
inolds 、 ’ 5tructure depe
ndent MOS FET degradation
 due & hot electroninject
ion3″、  IEDM Tech−Dig、 p7
42.1983)  を緩和する#Jきを有する。
ここで、くぼみ構造のゲート!衡は、前述したようにエ
ツチング速度の異なる・W数の導7IIMt−利用して
容易に形成することができる。すなわち、各導電層、例
えばモリブデンシリサイド層とポリシリコン層との界面
の結合力tコントロールし、さらに各Faミラエツチン
グるプラズマエツチングガスの組成を変えることによっ
て、第4図に示したように上層のシリサイド層17Aの
端部Gからポリシリコン111BがゲートSiO2@1
3に接する端部■までの距離、つtりくぼみの深さk 
d r〜d3のように任意に制御できる。なお図ではく
ぼみの断面が台形状になる場合(第4図(a))と矩形
状になる場合(第4図(b) ) fc示した。
したがって、第2図および第3図に示したように、この
ように形成されたゲート電極のシリサイド端Gt−マス
クとして打込まれた高濃度As層の側面フロントがくぼ
みの深さにほぼ等しい位置まで拡散により移動するよう
に、くぼみの深さdi〜d3と熱処理温度一時間プロフ
ァイルとの関係全設定することにより、第1図に示した
と同様のLDD構造構造底形成ことができる。
この場合、2層ゲート構造の下層をプラズマ・ドライエ
ツチングによってくぼみ状に加工する工程が必要になる
だけで、その後上層の端金マスクとして打込まれた高濃
度As層込み層の側面70ントがくぼみの深さだけ延び
るような熱処理拡散を行なうことによりLDD構造全笑
現でき、従来のようなゲート端面にサイドウオールを形
成するためのLPGVD による5ins層の堆積工程
とそれに続< RIE工程の2工程は不要となる。
なお、上述した実施例でゲート上層をマスクとして高濃
度にAs f注入する際のイオン打込み全基板玉表面に
直角な方向から行なったが、るる程度の角度?もたせて
斜め方向から行なってもよい。その場合には打込み層の
側面フロントが上層ゲート端、例えば第4図に示すクリ
サイド端Gの位置からずれるため、その後の熱拡散に際
しそれt考慮する必要がある。
また、ゲート電極は2層構造に限らず、3層ま九はそれ
以上の多層構造としてより複11I171:1iyT面
形状をもったくほみを形成してもよいことは言うまでも
ない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、エツチング速度
の異なる複数の導電層からなる積層構造で、しかも下部
導電層の側面全上部導電層の側面に対して所定量後退さ
せた構造のゲート電極を用いたことにより、上部導電f
f1kマスクとしたイオン注入の後、熱処理全行ない高
不純物濃度領域の側面フロントが下部導’rrt、m下
に達するまで拡散させること((よって、従来のサイド
ウオールマスク全周いた方法に比較して簡単なプロセス
で、ミラー容量を軽減したLDD構造のMOS形電界効
果トランジスタを笑現できる利点がるる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のLDD構造のMOS形亀界効果トランジ
スタの製造方法を示す工程断面図、第2図(a)〜(j
)は本発明の一実施例を示す工程断面図、第3図(a)
〜(d)は本発明の他の実施例全示す工程断面図、同(
8)(e)は平面バタン因、第4図はゲート電極の構成
例全示す断面図でるる。 11@・・・P形シリコン基板、13・・嗜・ゲートS
 i 02膜、1T・・・・ゲート電極、15.17A
Φ・・中上部シリサイド層、14.17B・・雫・下部
ポリシリコンi、2(1,26−・・第1図 ス 第2図 第2図 第2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、第1導電形の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して
    形成したゲート電極と、ゲート電極の両側の半導体基板
    表面に形成したソース・ドレインを構成する第2導電形
    の高不純物濃度領域と、ゲート電極下の高不純物濃度領
    域周辺部に配置した第2導電形の低不純物濃度領域とを
    備えたMOS形電界効果トランジスタにおいて、ゲート
    電極を、エッチング速度の異なる複数の導電層からなる
    積層構造とし、かつゲート絶縁膜に接する下部導電層の
    側面を、上部導電層の側面に対して内側に所定量後退さ
    せたことを特徴とするMOS形電界効果トランジスタ。 2、上部導電層側面に対する下部導電層側面の後退量を
    、上部導電層側面から熱拡散により移動する第2導電形
    の高不純物濃度領域の低不純物濃度領域に接する側面ま
    での距離とほぼ等しいか小さくしたことを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の電界効果トランジスタ。 3、第1導電形の半導体基板のゲート形成領域上にゲー
    ト絶縁膜を介してエッチング速度の異なる複数の導電層
    を積層する工程と、エッチングによりゲート絶縁膜に接
    する下部導電層の側面を上部導電層の側面に対して内側
    に後退させてゲート電極を形成する工程と、ゲート電極
    周辺部の半導体基板表面に端部が下部導電層下に達する
    第2導電形の低不純物濃度領域を形成する工程と、上部
    導電層をマスクとしてイオン注入を行なうことにより上
    部導電層周辺部の半導体基板表面に第2導電形の高不純
    物濃度領域を形成する工程と、熱処理を行なうことによ
    り上記高不純物濃度領域をその低不純物濃度領域に接す
    る側面が下部導電層下に到達するまで拡散させる工程と
    を含むことを特徴とするMOS形電界効果トランジスタ
    の製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02280342A (ja) * 1989-04-20 1990-11-16 Mitsubishi Electric Corp M0s型半導体装置及びその製造方法
US5115290A (en) * 1989-09-06 1992-05-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Mos type semiconductor device and method for manufacturing the same

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JPH02280342A (ja) * 1989-04-20 1990-11-16 Mitsubishi Electric Corp M0s型半導体装置及びその製造方法
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