JP3114894B2 - 絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法、半導体装置の製造方法及び絶縁ゲート型電界効果トランジスタ - Google Patents

絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法、半導体装置の製造方法及び絶縁ゲート型電界効果トランジスタ

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JP3114894B2
JP3114894B2 JP04035729A JP3572992A JP3114894B2 JP 3114894 B2 JP3114894 B2 JP 3114894B2 JP 04035729 A JP04035729 A JP 04035729A JP 3572992 A JP3572992 A JP 3572992A JP 3114894 B2 JP3114894 B2 JP 3114894B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート型電界効果
トランジスタの製造方法、半導体装置の製造方法及び絶
縁ゲート型電界効果トランジスタに係り、特に短チャネ
ルに形成される絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製
造方法、半導体装置の製造方法及び絶縁ゲート型電界効
果トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】絶縁物
上の単結晶Si半導体層の形成は、シリコン−オン−イ
ンシュレーター(SOI)技術として広く知られ、通常
のSi集積回路を作製するバルクSi基体では到達しえ
ない数々の優位点をSOI技術を利用したデバイスが有
することから多くの研究が成されてきた。例えば、非晶
質あるいは、多結晶Si層に電子線、レーザー光等のエ
ネルギービームを収束して照射し、溶融再結晶により単
結晶層をSiO2 上に成長させる方法、サイモックス
(SIMOX:Seperationby ion implanted oxygen)
と称されるSi単結晶基体中に酸素のイオン注入により
SiO2 層を形成する方法等があげられる。
【0003】このようなSOI技術を用いて、絶縁面上
に薄膜半導体膜を形成し、短チャネル効果を抑えようと
する構造が、例えば、1991年電子情報通信学会秋季大会
SC−9−3「ゲート長0.15μm極薄膜MOSFE
T/SIMOXの制作とその特性」に開示されている。
ここでは、Si層の薄膜化が短チャネル領域効果の抑制
に効果的であり、更に、チャネル領域下の埋め込み酸化
膜の薄膜化が閾値電圧の短チャネル効果の抑制に効果的
であることが述べられている。一方、埋め込み酸化膜を
薄膜化すると、ソース、ドレイン領域の寄生容量が増大
する問題点があることが述べられている。
【0004】本発明は、ソース、ドレイン領域直下の絶
縁層の厚さを、チャネル領域直下の絶縁層の厚さよりも
十分厚くすることが可能な絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタ、それを用いた半導体装置及び製造方法を提供す
ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の絶縁ゲー
ト型電界効果トランジスタの製造方法は、第1のSi単
結晶基体上のソース、ドレイン領域直下となる領域に厚
い選択酸化膜を形成し、該第1のSi単結晶基体を平坦
化した後、その表面に酸化膜を形成する工程と、多孔質
化された第2のSi単結晶基体上の、非多孔質単結晶層
の表面或いは該非多孔質単結晶層上に形成した酸化膜表
面を、前記第1のSi単結晶基体の酸化面に貼り合わせ
る工程と、前記多孔質化された第2のSi単結晶基体を
少なくとも湿式化学エッチングを含む処理により除去し
て貼り合わせた酸化層上に単結晶半導体層を形成する工
程と、前記厚い選択酸化膜上にソース、ドレイン領域を
形成する工程とを備えたものである。
【0006】本発明の第2の絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタの製造方法は、上記本発明の第1の絶縁ゲート
型電界効果トランジスタの製造方法において、前記単結
晶半導体層上にゲート電極を形成し、このゲート電極の
周辺領域に選択酸化膜を形成し、形成された選択酸化膜
及びゲート電極上の酸化膜を平坦化したものである。
【0007】本発明の第3の絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタの製造方法は、上記本発明の第2の絶縁ゲート
型電界効果トランジスタの製造方法の平坦化された選択
酸化膜及びゲート電極上の酸化膜と、多孔質化された第
3のSi単結晶基体上の、非多孔質単結晶層の表面或い
は該非多孔質単結晶層上に形成した酸化膜とを貼り合わ
せる工程と、前記多孔質化された第3のSi単結晶基体
を少なくとも湿式化学エッチングを含む処理により除去
して、貼り合わせた酸化層上に単結晶半導体層を形成す
る工程とを備えたものである。
【0008】本発明の絶縁ゲート型電界効果トランジス
タは、上記本発明の第1の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタの製造方法により製造されたものである。
【0009】
【0010】
【0011】
【作用】本発明は、ソース領域及びドレイン領域直下と
なる絶縁層をチャネル領域直下の絶縁層よりも厚くし、
短チャネル効果を抑制し、より微細な且つ高集積な半導
体装置、及び寄生容量を低減し高速な半導体装置を提供
できる。
【0012】なお、前記チャネル領域上のゲート電極の
周辺領域に選択的に絶縁層を形成すれば、ゲート電極上
の絶縁膜表面を平坦化して配線等を形成することができ
る。更に、形成された平坦な絶縁層面上に単結晶半導体
層を形成すれば、絶縁ゲート型電界効果トランジスタを
下層に有する積層型の半導体装置を形成することができ
る。
【0013】本発明の製造方法は、第1のSi単結晶基
体のソース、ドレイン領域となる領域直下に厚い選択酸
化膜を形成し、該第1のSi単結晶基体を平坦化した
後、その表面に酸化膜を形成することで、ソース、ドレ
イン領域直下となる領域に厚い酸化膜、チャネル領域直
下となる領域に薄い酸化膜を形成した第1の基板を作製
し、一方で、エッチング速度が速い多孔質化された第2
のSi単結晶基体上に結晶性の優れた非多孔質単結晶S
i層を形成するか、又は更に非多孔質単結晶Si層上に
絶縁層を形成して第2の基板を作製し、第1の基板と第
2の基板を貼り合わせた後に、多孔質化された第2のS
i単結晶基体を少なくとも湿式化学エッチングを含む処
理により除去することで、貼り合わせた絶縁層上に結晶
性の優れた膜厚の均一で薄い単結晶Si層を簡易な工程
で形成し、前記厚い選択酸化膜上にソース、ドレイン領
域を形成するものである。
【0014】なお、前記単結晶半導体層上にゲート電極
を形成し、このゲート電極の周辺領域に選択酸化膜を形
成し、形成された選択酸化膜及びゲート電極上の酸化膜
を平坦化すれば、平坦化された酸化面に配線等を形成す
ることができる。
【0015】更に、平坦化された選択酸化膜及びゲート
電極上の酸化膜と、多孔質化された第3のSi単結晶基
体上の、非多孔質単結晶層の表面或いは該非多孔質単結
晶層上に形成した酸化膜とを貼り合わせ、多孔質化され
た第3のSi単結晶基体を少なくとも湿式化学エッチン
グを含む処理により除去して貼り合わせた酸化層上に単
結晶半導体層を形成すれば、絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタを下層に有する積層型の半導体装置を形成する
ことができる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。 (実施例1)図1は本発明の第1実施例となるn型MO
Sトランジスタの構成を説明するための断面図である。
【0017】図1において、1は単結晶Si基体、2,
3,4はn型MOSトランジスタのソース領域,チャネ
ル領域,ドレイン領域、5,6,7はそれぞれソース領
域2,チャネル領域3,ドレイン領域4直下の酸化膜、
8はゲート電極である。酸化膜5,7は平坦化された選
択酸化膜であり、酸化膜6よりも厚く形成される。かか
る構成のMOSトランジスタでは酸化膜5,7が厚く形
成されるためソース、ドレイン領域の寄生容量(基板−
ソース領域間、基板−ドレイン領域間の寄生容量)を抑
えることができるとともに、酸化膜6が薄く形成される
ため短チャネル効果を抑制することができる。
【0018】なお、本実施例の説明においては、ソース
ドレイン直下の厚い絶縁層としてLOCOSを用いた
が、これに限らず、バルクSiをエッチングしておき、
SiON等の絶縁層を埋め込んでも可能である。
【0019】次に上記構成のn型MOSトランジスタの
製造工程について説明する。
【0020】なお、上記構成のn型MOSトランジスタ
はソース、ドレイン領域直下のみ厚い平坦化された酸化
膜上に単結晶Si層を形成し、この単結晶Si層にMO
Sトランジスタを作製するものであり、平坦化された絶
縁面上に単結晶Si層を形成するSOI技術を前提とす
る。上記構成のn型MOSトランジスタの作製に既存の
SOI技術、例えばレーザー光等のエネルギービームを
収束して照射し、溶融再結晶により単結晶層をSiO2
上に成長させる方法等を用いることもできるが、本発明
にかかる製造方法を用いれば、絶縁面上に層厚が均一
で、結晶性に優れた単結晶Si層を形成することができ
る。以下、本発明の製造方法について説明する。
【0021】まず、本発明において用いる多孔質Siに
付いて説明を行う。多孔質Siは、Uhlir 等によって1
956年に半導体の電解研磨の研究過程に於て発見され
た(A.Uhlir, Bell Syst.Tech.J., vol 35,333(1956))
。また、ウナガミ等は、陽極化成におけるSiの溶解
反応を研究し、HF溶液中のSiの陽極反応には正孔が
必要であり、その反応は、次のようであると報告してい
る(T.ウナガミ: J. Electrochem.Soc., vol. 127, 476
(1980) )。
【0022】 Si + 2HF + (2-n)e+ → SiF2 + 2H+ + ne- SiF2 + 2HF → SiF4 + H2 SiF4 + 2HF → H2SiF6 又は、 Si + 4HF + (4-λ)e+ → SiF4 + 4H+ + λe- SiF4 + 2HF → H2SiF6 ここで、e+ 及び、e- はそれぞれ、正孔と電子を表し
ている。また、n及びλは夫々Si1原子が溶解するた
めに必要な正孔の数であり、n>2又は、λ>4なる条
件が満たされた場合に多孔質Siが形成されるとしてい
る。
【0023】このように、多孔質Siを作製するために
は、正孔が必要であり、N型Siに比べてP型Siの方
が多孔質Siに変質しやすい。しかし、N型Siも正孔
の注入があれば、多孔質Siに変質することが知られて
いる(R.P.Holmstrom and J.Y.Chi. Appl.Phys.Lett. V
ol.42,386(1983) )。この多孔質Si層は、単結晶Si
の密度2.33g/cm3 に比べて、HF溶液濃度を5
0〜20%に変化させることで、その密度を1.1〜
0.6g/cm3 の範囲に変化させることができる。こ
の多孔質Si層は、透過電子顕微鏡による観察によれ
ば、平均約600オングストローム程度の径の孔が形成
される。その密度は単結晶Siに比べると、半分以下に
なるにもかかわらず、単結晶性は維持されており、多孔
質層の上部へ単結晶Si層をエピタキシャル成長させる
ことも可能である。また、多孔質層はその内部に大量の
空隙が形成されているために、密度が半分以下に減少す
る。その結果、体積に比べて表面積が飛躍的に増大する
ため、その化学エッチング速度は、非多孔質Si層のエ
ッチング速度に比べて、著しく増速される。
【0024】本発明に係る製造方法は上記多孔質Siの
性質を利用したものである。図2〜図8は本実施例のn
型MOSトランジスタの製造工程図である。
【0025】まず、図2に示すように、単結晶Si基体
を以下の条件の陽極化成により多孔質化して多孔質Si
基体10を形成する。
【0026】 印加電圧: 2.6(V) 電流密度: 30(mA・cm-2) 陽極化成溶液:HF:H2 O:C25 OH=1:1:
1 Porosity: 56(%) 次に多孔質Si基体10の表面に非多孔質単結晶Si層
9をエピタキシャル成長する。単結晶Si層9の厚さは
0.1μmとした。エピタキシャル成長は一般的な熱C
VD法、減圧CVD法、プラズマCVD法、分子線エピ
タキシー法、スパッタ法等で行った。
【0027】一方、図3に示すように、単結晶Si基体
1の表面の、ソース領域、ドレイン領域直下となる領域
に1μm程度の厚い選択酸化膜5,7を形成する。選択
酸化膜5,7を形成するには、単結晶Si基体1上に酸
化膜を介してチャネル領域直下となる領域にSi34
膜をパターン形成し、1000℃のウエット酸化を行う
ことで形成することができる。その後、図4及び図5に
示すように、Si34 膜を除去した後、SOG(Spin
On Glass )を表面にコートし、リフローにより平坦化
を行い、平坦化後SiO2 のエッチングを行って、平坦
化された選択酸化膜5,7を形成し、更に表面酸化して
200Å程度の酸化膜6を形成する。
【0028】次に図6に示すように、選択酸化膜5,
7、酸化膜6を有する単結晶Si基体1と、非多孔質単
結晶Si層9を有する多孔質Si基体10とを洗浄した
後に密着させ、その後酸素、窒素、水素、希ガス等の雰
囲気中で加熱することで貼り合わせる。
【0029】ここで、単結晶Si層9上に酸化膜を形成
してもよい。界面で薄膜デバイスを作製する際にある程
度の界面準位を形成する可能性があるが、単結晶Si層
9上に酸化膜を形成すれば、このような界面準位の低減
を図ることができる。
【0030】なお、一般的に熱処理の温度が高ければ高
いほど、界面の結合力が強まる。これは約200℃以上
になると、水素結合していた水素と酸素の両原子がH2
Oの形で脱水し、そのあとに縮合したシラノール結合
(Si−O−Si)を形成するためである。但し脱水し
たH2 Oが界面近傍に空隙(ボイド)等の形で残存して
いる間は、まだ結合力は最も高い状態ではなく、このボ
イドが拡散して完全に消滅したときに最も結合力が高く
なる。そしてこの状態で結合力は飽和し、それ以上の高
温処理をしても結合力がさらに強まることはない。この
結合力が飽和する温度は約1000℃である。ここでは
熱処理温度を約1000℃とした。
【0031】次に図7に示すように、多孔質Si基体1
0を下記のエッチング液を用いてエッチング除去する。
多孔質Si基体10を単結晶に対して選択的にエッチン
グすることができるエッチング液としては、弗酸、バッ
ファード弗酸等の弗酸系のエッチング液がある。なお、
かかるエッチング液に、メタノール、エタノール、プロ
パノール、イソプロパノール等のアルコールを添加する
ことによって、エッチングによる反応生成気体の気泡
を、瞬時にエッチング表面から、撹はんすることなく、
除去でき、均一にかつ効率よく多孔質Siをエッチング
することができる。また、過酸化水素水を添加すること
によって、Siの酸化を増速し、反応速度を無添加にく
らべて増速することが可能となり、更に過酸化水素水の
比率を変えることにより、その反応速度を制御すること
ができる。
【0032】ここでは、多孔質Si基体10を49%弗
酸とアルコールと30%過酸化水素水との混合液(1
0:6:50)で撹はんすることなく選択エッチングし
た。多孔質Si基体10は選択エッチングされ、完全に
除去された。このようにして作製された酸化膜上のSi
単結晶層の層厚は均一である。
【0033】次に、図8に示すように、ゲート絶縁膜を
介してゲート電極8を形成し、このゲート電極8をマス
クとして、不純物イオンを注入し、アニール処理を行っ
てソース、ドレイン領域2,4を形成する。なお、酸化
膜6上にゲート電極8を精度よく形成するには、上面か
らHe−Neレーザにより選択酸化膜5,7のエッジを
検知し、このエッジを基準としてゲート電極8を形成す
ればよい。なお、選択酸化膜5,7とは別にアライメン
トマークとなる選択酸化領域を形成してもよい。
【0034】このようにして図1に示したn型MOSト
ランジスタを作製する。本発明によれば、単結晶Si層
の厚さ及びチャネル領域下の酸化膜の厚さを薄くでき短
チャネル効果を抑えることができるので、0.1μmル
ール以下のMOSトランジスタを作製することも可能と
なる。 (実施例2)次に本発明の第2実施例について図13を
用いて説明する。本第2実施例はソースドレイン直下の
厚い酸化層及びチャネル直下の薄い酸化層上にBPSG
31を介して単結晶Si膜が形成されている点が第1実
施例と異なる。本構造を採用することにより、LOCO
S酸化部5,7、非LOCOS酸化部6との段差が存在
しても、リフロー特性の良好なBPSGにより単結晶層
9との界面が平坦となり、その貼り合わせ特性が良好と
なる。又BPSGのみならず、リフロー特性の優れたも
のであれば、良く、SOG等も使用可能である。 (実施例3)本実施例は第1実施例のn型MOSトラン
ジスタのゲート電極上を平坦化したものである。
【0035】図9〜図11は本実施例のn型MOSトラ
ンジスタの製造工程図である。なお、図1に示した構成
部材と同一構成部材については同一符号を付する。
【0036】まず、第1実施例と同様にして、図2〜図
8に示した製造工程によりn型MOSトランジスタを作
製した後、図9に示すようにゲート電極8上及びその側
壁部上に酸化膜12を介してSiN膜11を選択的にエ
ッチングして形成する。このようなSiN膜11の形成
は異方性ドライエッチングを用いることで行うことがで
きる。
【0037】次に図10に示すようにウエット酸化によ
り選択酸化膜13,14を形成する。その後図11に示
すように、SiN膜11を除去した後、SOG(Spin O
n Glass )を表面にコートし、エッチバックで平坦化を
行う。
【0038】このように完全平坦化することにより、配
線が高密度、高集積で形成できる効果がある。 (実施例4)本実施例は第3実施例において、平坦化さ
れた酸化面上に更にp型MOSトランジスタを形成し積
層型のCMOSトランジスタを作製したものである。
【0039】図12は本実施例の積層型のCMOSトラ
ンジスタ示す断面図である。なお、図9〜図11に示し
た構成部材と同一構成部材については同一符号を付す
る。
【0040】図12に示すように、本実施例では、ゲー
ト電極8の周辺領域に選択酸化膜13,14を形成し平
坦化を行った後、平坦化された酸化面に単結晶Si層を
形成し、この単結晶Si層にp型MOSトランジスタの
ソース領域15,チャネル領域16,ドレイン領域17
を形成する。なお、ゲート電極8はn型MOSトランジ
スタとp型MOSトランジスタとのゲート電極となる。
【0041】以下、上記構成の積層型のCMOSトラン
ジスタの製造工程について説明する。なお、本実施例の
製造工程は第3実施例の平坦化された酸化面上に、第1
実施例と同様にして非多孔質単結晶Si層を有する多孔
質Si基体を貼り合わせて酸化面上に単結晶Si層を形
成するものなので、図11及び図2〜図7を引用して説
明する。
【0042】まず、図11のように表面が平坦化された
n型MOSトランジスタに、図2に示した、表面に非多
孔質単結晶Si層9を有する多孔質Si基体10を図6
のように貼り合わせ、更に図7のように多孔質Si基体
10を選択的にエッチング除去して、平坦化された酸化
面上に単結晶Si層を形成し、この単結晶Si層に不純
物イオン注入によりソース、ドレイン領域15、17を
形成し、p型MOSトランジスタを形成する。ソース、
ドレイン領域15、17をゲート電極8に対して精度よ
く形成するには、貼り合わせ前にアライメントマークと
なる選択酸化膜を形成し、この選択酸化膜のエッジを上
面からHe−Neレーザにより検知し、このエッジを基
準として不純物イオン注入を行えばよい。なお、多孔質
化の条件、貼り合わせの条件、多孔質Siのエッチング
の条件等は第1実施例において説明した条件と同じであ
る。
【0043】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、ソース、ドレイン領域の寄生容量を増大させるこ
となく、チャネル領域直下の絶縁層の厚さを薄くでき、
短チャネル効果を防止することができる。
【0044】なお、前記チャネル領域上のゲート電極の
周辺領域に選択的に絶縁層を形成すれば、ゲート電極上
の絶縁膜表面を平坦化して配線等を形成し、高密度化、
高集積化を図ることが可能となる。
【0045】更に、ゲート電極上の絶縁膜表面を平坦化
し、形成された平坦な絶縁層面上に単結晶半導体層を形
成すれば、絶縁ゲート型電界効果トランジスタを下層に
有する積層型の半導体装置を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例となるn型MOSトランジ
スタの構成を説明するための断面図である。
【図2】上記第1実施例のn型MOSトランジスタの製
造工程図である。
【図3】上記第1実施例のn型MOSトランジスタの製
造工程図である。
【図4】上記第1実施例のn型MOSトランジスタの製
造工程図である。
【図5】上記第1実施例のn型MOSトランジスタの製
造工程図である。
【図6】上記第1実施例のn型MOSトランジスタの製
造工程図である。
【図7】上記第1実施例のn型MOSトランジスタの製
造工程図である。
【図8】上記第1実施例のn型MOSトランジスタの製
造工程図である。
【図9】本発明の第3実施例となるn型MOSトランジ
スタの製造工程図である。
【図10】本発明の第3実施例となるn型MOSトラン
ジスタの製造工程図である。
【図11】本発明の第3実施例となるn型MOSトラン
ジスタの製造工程図である。
【図12】本発明の第4実施例となる半導体装置の構成
を説明するための断面図である。
【図13】本発明の第2実施例となるn型MOSトラン
ジスタの構成を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1 単結晶Si基体 2 ソース領域 3 チャネル領域 4 ドレイン領域 5 選択酸化膜 6 酸化膜 7 選択酸化膜 8 ゲート電極 9 非多孔質単結晶Si層 10 多孔質Si基体 11 SiN膜 12 酸化膜 13 選択酸化膜 14 選択酸化膜 15 ソース領域 16 チャネル領域 17 ドレイン領域

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1のSi単結晶基体上のソース、ドレ
    イン領域直下となる領域に厚い選択酸化膜を形成し、該
    第1のSi単結晶基体を平坦化した後、その表面に酸化
    膜を形成する工程と、 多孔質化された第2のSi単結晶基体上の、非多孔質単
    結晶層の表面或いは該非多孔質単結晶層上に形成した酸
    化膜表面を、前記第1のSi単結晶基体の酸化面に貼り
    合わせる工程と、 前記多孔質化された第2のSi単結晶基体を少なくとも
    湿式化学エッチングを含む処理により除去して貼り合わ
    せた酸化層上に単結晶半導体層を形成する工程と、 前記厚い選択酸化膜上にソース、ドレイン領域を形成す
    る工程とを備えた絶縁ゲート型電界効果トランジスタの
    製造方法。
  2. 【請求項2】 前記単結晶半導体層上にゲート電極を形
    成し、このゲート電極の周辺領域に選択酸化膜を形成
    し、形成された選択酸化膜及びゲート電極上の酸化膜を
    平坦化した請求項記載の絶縁ゲート型電界効果トラン
    ジスタの製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項記載の絶縁ゲート型電界効果ト
    ランジスタの製造方法の平坦化された選択酸化膜及びゲ
    ート電極上の酸化膜と、多孔質化された第3のSi単結
    晶基体上の、非多孔質単結晶層の表面或いは該非多孔質
    単結晶層上に形成した酸化膜とを貼り合わせる工程と、 前記多孔質化された第3のSi単結晶基体を少なくとも
    湿式化学エッチングを含む処理により除去して、貼り合
    わせた酸化層上に単結晶半導体層を形成する工程とを備
    えた半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の絶縁ゲート型電界効果ト
    ランジスタの製造方法により製造された絶縁ゲート型電
    界効果トランジスタ。
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