JP3260009B2 - 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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JP3260009B2 JP15972893A JP15972893A JP3260009B2 JP 3260009 B2 JP3260009 B2 JP 3260009B2 JP 15972893 A JP15972893 A JP 15972893A JP 15972893 A JP15972893 A JP 15972893A JP 3260009 B2 JP3260009 B2 JP 3260009B2
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雅則 小高
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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、半導体技術さらには薄
膜構造のSOI(Semiconductor On Insulator)上に素
子が形成された半導体装置に適用して特に有効な技術に
関し、例えば該薄膜SOI上にMOSトランジスタとバ
イポーラトランジスタが形成された半導体装置に利用し
て有用な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコン基板上に、酸化シリコン膜及び
シリコン膜(膜厚が1000Å程度)を形成して、薄膜
SOI構造の基板を形成し、これにMOS形のトランジ
スタを形成する技術が、例えば、特開平3−15516
6号公報によって公知である。上記薄膜SOIに形成さ
れるnチャネルMOSトランジスタは、例えば、図9に
示すように、ソース・ドレイン31,31、及びチャネ
ル形成領域32が、何れもシリコン薄膜に形成されたn
形拡散層及びp形拡散層にて構成されている。このよう
に構成されたnチャネルMOSトランジスタは、特に、
チャネル形成領域32が浅い拡散層となっているため
(〜1000Å)、ゲートに電圧が印加されていない状
態でもこの部分に空乏層が現れるようになり、従って、
チャネル部分の寄生容量が小さく、当該MOSトランジ
スタの高速動作を可能ならしめることが知られている
(所謂、空乏チャネル形MOSトランジスタ)。
【0003】近年は、上記空乏チャネル形MOSトラン
ジスタが形成された薄膜SOIに、バイポーラトランジ
スタを形成して、高速動作性に優れたBiCMOS形L
SIを薄膜SOI上に構成する試みが行われるようにな
った。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た技術には、次のような問題のあることが本発明者らに
よってあきらかにされた。即ち、同一基板の薄膜SOI
に、MOSトランジスタとバイポーラトランジスタを形
成しようとした場合には以下の理由によって、SOIの
シリコン薄膜の厚さを、素子の厚い方のバイポーラトラ
ンジスタを形成するのに必要な膜厚に合わせて厚くしな
ければならない。即ち、一般的な縦型バイポーラトラン
ジスタは、図10に示すように、コレクタ領域34の下
方に、コレクタを引出すための低抵抗半導体層(n+
埋込み層33)を形成しておかなければならず、この領
域を確保する分だけ薄膜SOIの上に、更にシリコン膜
をエピタキシャル成長させる必要があり、その膜厚が厚
くなってしまう。然るに、このように厚いシリコン膜を
形成したのでは、上記したMOSトランジスタの素子形
成部分も厚くなってしまいその高速動作性を得ることが
できなくなる。
【0005】このため、バイポーラトランジスタが形成
される領域のシリコン膜だけ選択的に厚く形成しておい
て、上記したMOSトランジスタの高速動作性を保持し
つつ、SOI構造にバイポーラトランジスタを形成する
ことも考えられる。しかし、この場合、MOSトランジ
スタ形成部とバイポーラトランジスタ形成部との間に段
差が生じ、その後行われるレジスト露光工程等での微細
加工が困難になると云う不具合が生じる。本発明は、か
かる事情に鑑みてなされたもので、薄膜SOIにMOS
トランジスタとバイポーラトランジスタとを形成してB
iCMOS形LSIを構成するに当たり、MOSトラン
ジスタの高速動作性を保持しつつ、基板全体の平坦化を
図って製造プロセスでの加工精度の向上をも図ることが
できるようにしたバイポーラトランジスタ構造を提供す
ることをその主たる目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のと
おりである。即ち、上記課題を解決するため、本発明の
半導体装置では、半導体基板の表面に第1の絶縁膜を介
して半導体薄膜を形成しておき、該半導体薄膜に第1の
導電形の拡散層を形成してバイポーラトランジスタのコ
レクタ領域を構成し、該コレクタ領域を囲むように半導
体薄膜に高濃度の第1の導電形の拡散層を形成すると共
に該高濃度の拡散層の上に低抵抗の導電層を形成して、
コレクタ引出し電極を構成し、前記コレクタ領域の上を
覆う第2の絶縁膜に設けられた開口部の内側に当該コレ
クタ領域と接する第2の導電形のベース領域を形成し、
該ベース領域の上を覆う第3の絶縁膜に設けられた開口
部の内側に当該ベース領域と接する第1の導電形のエミ
ッタ領域を構成するようにしている。
【0007】
【作用】上記構成されたバイポーラトランジスタは、そ
のコレクタ領域が、半導体薄膜に形成された高濃度の第
1の導電形の拡散層及びその上に形成された低抵抗導電
層にて構成されているので、従来の縦型バイポーラトラ
ンジスタに必要であった、コレクタ用の埋込み層が不要
となり、当該半導体薄膜上に、MOSトランジスタと略
等しい厚さでバイポーラトランジスタを構成することが
できる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の一実施例を、図1〜図6を参
照して説明する。図1は、薄膜SOI上にMOSトラン
ジスタ10とバイポーラトランジスタ20が形成された
半導体集積回路装置の断面図である。該集積回路装置の
基体は、シリコン基板1、酸化シリコン膜2、及び、単
結晶シリコン薄膜3によって構成され、このうち酸化シ
リコン膜2、シリコン薄膜3が薄膜SOI構造を形成す
る。尚、本実施例の薄膜SOIは単結晶シリコン薄膜3
の膜厚が1000Å以下となっている。
【0009】薄膜SOIには、n形MOSトランジスタ
10、npn形バイポーラトランジスタ20、更にはp
形MOSトランジスタが形成されて、BiCMOS形の
LSIを構成している。以下、MOSトランジスタに係
わる説明はn形MOSトランジスタについてのみ行い、
p形MOSトランジスタの構造及びその製造方法の説明
は省略する。
【0010】上記n形MOSトランジスタ10は、上記
シリコン薄膜3に形成されたn+形拡散層11,11に
よって、そのソース・ドレイン領域が構成され、その間
のp形拡散層12によってチャネル形成領域が構成され
る。そして、上記p形拡散層12の上面には、酸化シリ
コン膜15が形成されて、MOSトランジスタのゲート
酸化膜を構成する。更にこのゲート酸化膜15の上には
n形不純物が導入されたポリシリコン膜16が形成さ
れ、これがゲート電極を構成する。
【0011】又、上記n+形拡散層11,11の上面に
は、以下の理由によって、ポリサイド膜13,13が形
成されている。即ち、上記MOSトランジスタ10は、
ソース・ドレイン領域11,11がシリコン薄膜3(〜
1000Å)に形成されているため、ソース・ドレイン
領域の各々の電流経路の断面積が小さく、高抵抗とな
る。従って、この経路を伝播する信号の速度が低下し、
ひいては、MOSトランジスタ10の動作性が低下す
る。そこで、上記のようにソース・ドレイン領域(n+
拡散層)11,11の上面に低抵抗のポリサイド膜1
3,13を形成して、当該ソース・ドレイン領域の抵抗
を下げるようにしている。
【0012】又、上記nMOSトランジスタのゲート電
極は、n形不純物が導入されたポリシリコン膜16にて
形成されている。このようにしておくのは、当該n形の
ゲート電極に正の電圧を印加したときにゲート酸化膜1
5を挟んで位置するチャネル形成領域(p形拡散層1
2)に負の電荷を存在しやすくするためであり、これに
より、ゲート電圧が低いときにも動作し易くなる。この
ことは逆の導電形の場合、即ち、pMOSトランジスタ
についても同様であり、pMOSトランジスタでは、ゲ
ート電極を、p形不純物が導入されたポリシリコン層に
よって構成すればよい。
【0013】又、バイポーラトランジスタ(npn形バ
イポーラトランジスタ)20では、シリコン薄膜3に形
成されたn形拡散層22がコレクタ領域を構成し、その
周辺に形成されたn+形拡散層21,21、及びポリサ
イド膜23,23がコレクタ引出し電極を構成してい
る。尚、n+形拡散層21,21上に、ポリサイド膜2
3,23を設けておく理由は、上記したMOSトランジ
スタのソース・ドレイン領域に設けられたポリサイド膜
13,13と同様、その抵抗値を低下させるためであ
る。このようにコレクタ引出し電極の抵抗値を下げるこ
とができるため、当該バイポーラトランジスタ20に
は、従来の縦型バイポーラトランジスタに設けられてい
たn+埋込み層(図10の拡散層33)が不要となり、
バイポーラトランジスタをMOSトランジスタと同等の
膜厚で形成することができるようになる。
【0014】上記n形拡散層21,21及びポリサイド
膜23,23の上には、これらを覆うように酸化シリコ
ン膜24が形成されており、該酸化シリコン膜24の上
には、p形不純物が導入されたシリコン膜25が形成さ
れている。このp形シリコン膜25は、上記酸化シリコ
ン膜24に設けられた開口部24Aを介してその一部
が、前記n形拡散層22に接するようになっている。し
かして、このp形シリコン膜25がnpn形バイポーラ
トランジスタのベース領域を構成する。このp形シリコ
ン膜25の上には、更に、酸化シリコン膜26を介して
n形ポリシリコン膜27が形成され、上記酸化シリコン
膜26の開口部26Aを介して、該n形ポリシリコン膜
27の一部が、前記p形シリコン膜25に接し、このp
形ポリシリコン膜27がバイポーラトランジスタのエミ
ッタ領域を構成している。
【0015】次に、上記2種類のトランジスタ10,2
0が形成された半導体集積回路装置の製造方法の一例
を、図2〜図6に従って説明する。 先ず、シリコン基板1上に酸化シリコン膜2を形成
し、その上にシリコンを1000Å程度の膜厚となるよ
うにシリコンをエピタキシャル成長させてシリコン薄膜
3を堆積さる(薄膜SOI構造)。 シリコン薄膜3の、上記nMOS形トランジスタ10
が形成される領域(図中左側)にp形不純物を導入して
p形半導体層3Aを形成し、一方、上記npn形バイポ
ーラトランジスタ20が形成される領域にn形不純物を
導入してn形半導体層3Bを形成する。(尚、pMOS
形トランジスタが形成される領域(図示省略)にはn形
不純物が導入されてn形半導体層が形成される。) 上記n形不純物、p形不純物が夫々導入されたシリコ
ン薄膜3上に、高濃度にn形不純物が導入されたポリサ
イド膜4を形成し、その上に酸化シリコン膜5を形成す
る。そして、上記ポリサイド膜4と酸化シリコン膜5
を、MOSトランジスタのソース・ドレイン領域、バイ
ポーラトランジスタのコレクタ引出し電極が形成される
領域にのみ残して、それ以外を例えばドライエッチング
により除去する。そして、これにアニールを施して、ポ
リサイド膜4からソース・ドレイン領域及びコレクタ引
出し電極領域にn形不純物を拡散させて、ここにn+
散層11,11,23,23を形成する。ここまでの工
程で得られたデバイス構造を図2に示す。 上記得られたデバイス構造(図2)の全面に、図3に
示すように、酸化シリコン9Aをデポジションし、これ
に異方性のドライエッチングを施して、上記MOSトラ
ンジスタのソース・ドレイン領域のポリサイド膜13,
13の壁面、及びバイポーラトランジスタのコレクタ引
出し電極上のポリサイド膜23,23の壁面に酸化シリ
コンのサイドウォール9a,9b(図4)を形成する。 この構造の全面にシリコン膜6をエピタキシャル成長
にて形成し、これにp形不純物を導入し、更に当該シリ
コン膜6をドライエッチングしてバイポーラトランジス
タのベース領域(25)にのみ、当該p形シリコン膜6
を残すようにする。ここまでの工程で得られたデバイス
構造を図4に示す。ところで、上記エピタキシャル成長
されたシリコン膜6は、上記したp形拡散層22と接す
る部位(真性ベース領域)25aが単結晶シリコンとな
り、それ以外の部位25b,25bがポリシリコンとな
る。従って、バイポーラトランジスタの真性ベース領域
では、結晶が安定化してトランジスタの動作特性が向上
し、一方、それ以外の部位に関しては、その低抵抗化が
図られる。 図4のデバイス構造の全面に、更に酸化シリコン膜9
Bを堆積させ、該酸化シリコン膜9BのMOSトランジ
スタのゲート電極が形成される部分、バイポーラトラン
ジスタのエミッタ領域に相当する部分に夫々開口部を設
け、更にこの上に酸化シリコン膜9Cを堆積させる(図
5)。そして、これに異方性エッチングを施して、各開
口部の内側にサイドウォール9c,9d,9e,9fを
形成する(図5中破線で示す)。 上記異方性エッチングによって露出した開口部内側の
シリコン膜表面に、MOSトランジスタのゲート電極形
成領域に相当する部分に酸化シリコン膜15を形成し、
これをMOSトランジスタのゲート酸化膜とする。 更に、ポリシリコン8を全面に堆積させ、これにn形
不純物を導入する(図6)。そして、これを所定形状に
パターニングして、MOSトランジスタのゲート電極1
6、バイポーラトランジスタのエミッタ領域27とし、
図1に示すデバイス構造を得る。
【0016】以上、詳述したように本実施例の半導体集
積回路装置では、薄膜SOIに形成されたMOSトラン
ジスタのソース・ドレイン領域を構成する拡散層の上に
ポリサイド膜が形成されているので、ソース・ドレイン
間の低抵抗化が図られている、所謂「空乏形MOSトラ
ンジスタ」において、ソース・ドレイン領域を構成する
拡散層部分の低抵抗化が図られ、MOSトランジスタ全
体の動作特性が向上する。又、薄膜SOIに形成された
バイポーラトランジスタは、上記ポリサイド膜の存在に
よってそのコレクタ抵抗が低減されているので、従前の
縦型バイポーラトランジスタに設けられていた埋込み層
を設ける必要がなくなり、MOSトランジスタと略等し
い膜厚でその素子形成が行えるようになる。更に、MO
Sトランジスタ、バイポーラトランジスタともにサイド
ウォールを用いて導電層間の電気的な分離が行われてい
るので、自己整合を用いた高集積化が図られる。又、同
一の薄膜SOIにMOSトランジスタとバイポーラトラ
ンジスタを形成するに当たって、共用できる製造プロセ
スが多く、プロセスの簡略化が図られる。
【0017】尚、上記実施例ではベース領域を構成する
p形ポリシリコン膜で形成しているが、真性ベース領域
以外の部位をポリサイド膜として、ベース抵抗を更に低
減させるようにしてもよい。又、上記ベース領域を構成
するシリコン膜6に代えて、SiGe膜を用いてもよ
い。これによりバイポーラトランジスタの高速動作性を
更に向上させることができる。又、上記実施例で低抵抗
化のために用いたポリサイド膜に代えて、他の低抵抗の
導電層(例えばシリサイド、金属層等)を用いるように
してもよい。尚、当該薄膜SOI上に、npnバイポー
ラトランジスタのベース用のp形シリコン膜を形成する
際に、p形MOSトランジスタのゲート電極を、同時に
形成すればプロセスの簡略化が図られる。
【0018】図7,図8は、薄膜SOI上に形成される
バイポーラトランジスタの第1の変形例及び第2の変形
例を示すデバイスの断面図である。このうち図7は、n
pn形バイポーラトランジスタの真性ベース領域を、薄
膜SOIのシリコン薄膜3に形成されたp形拡散層41
にて構成し、この領域を囲むように該シリコン薄膜に形
成されたn+形拡散層42,42にてコレクタ領域を構
成している。このバイポーラトランジスタにおいても上
記n+形拡散層42,42の上には、ポリサイド膜4
3,43が形成されて、コレクタ領域の低抵抗化が図ら
れている。更に、このバイポーラトランジスタでは、コ
レクタ領域及びこれに導電接続されている上記ポリサイ
ド膜43,43と、ベース引出し電極を構成するp+
半導体層46,46とは、酸化シリコン膜44,44及
び酸化シリコンによって構成されたサイドウォール4
5,45によって絶縁されている。かかる構造のバイポ
ーラトランジスタも上記第1実施例のバイポーラトラン
ジスタ同様に、薄膜SOIに、MOSトランジスタと略
同じ膜厚にて形成することができる。尚、この変形例の
ポリサイド膜43,43に代えて、当該コレクタ領域の
上面に他の低抵抗の導電層(例えば、ポリシリコン、シ
リサイド、金属膜)等を形成するようにしてもよい。
尚、図中47はエミッタ領域を構成するn形のポリシリ
コン膜、48は酸化シリコン膜である。
【0019】一方、図8は、ベース領域を、p+形のポ
リシリコンからなるサイドウォールで構成したバイポー
ラトランジスタを示す断面図である。即ち、この変形例
では、薄膜SOIのシリコン薄膜3にn+形拡散層5
2,52が、更にその上に酸化シリコン膜53,53が
形成されている。そしてこれらn+形拡散層52,5
2、酸化シリコン膜53,53には、開口部が設けら
れ、その上にp+形シリコン膜55が形成されると共
に、前記開口部の側壁にp+形のサイドウォール54,
54が形成されている。そして、上記n+形拡散層5
2,52がコレクタ領域を構成し、上記p+形シリコン
膜55,55及びp+形サイドウォール54,54がベ
ース領域を構成している(サイドウォール54,54が
真性ベース領域となっている)。上記構成とすることに
より、上記第1実施例のバイポーラトランジスタ同様
に、薄膜SOIに、MOSトランジスタと略同じ膜厚の
トランジスタを形成することができる。尚、図中56は
エミッタ領域を構成するn形のポリシリコン膜、57は
酸化シリコン膜である。
【0020】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、本
実施例では、n形MOSトランジスタのゲート電極をn
形のポリシリコン膜にて形成する例を示したが、他の導
電層を用いてゲート電極を構成するようにしてもよい。
又、本実施例では、薄膜SOIにnpn形バイポーラト
ランジスタが形成されたLSIを例に示したが、pnp
トランジスタが形成されたLSIに本発明を適用しても
よい。
【0021】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるBiC
MOS構造のLSI技術に適用した場合について説明し
たが、この発明はそれに限定されるものでなく、MOS
トランジスタ若くはバイポーラトランジスタが形成され
た半導体装置一般に利用することができる。
【0022】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記
のとおりである。同一の薄膜SOIにMOSトランジス
タとバイポーラトランジスタとを形成するに当たり、バ
イポーラトランジスタをMOSトランジスタと略等しい
膜厚にて形成することができ、トランジスタの高速動作
性を保持しつつ、基板全体の平坦化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】薄膜SOI上にMOSトランジスタ10とバイ
ポーラトランジスタ20が形成された、本実施例の半導
体集積回路装置の断面図である。
【図2】本実施例のデバイス構造のプロセスフロー示す
断面図のうち、シリコン薄膜上のポリサイド膜4、酸化
シリコン膜5をドライエッチングした状態を示す断面図
である。
【図3】デバイス構造のプロセスフローのうち図2の構
造の全面に、酸化シリコン9Aをデポジションした状態
を示す断面図である。
【図4】デバイス構造のプロセスフローのうち図3の酸
化シリコン膜に異方性ドライエッチングを施して酸化シ
リコンのサイドウォール9a,9bを形成し、p形シリ
コン膜6を形成してドライエッチングしベース領域を形
成した状態を示す断面図である。
【図5】デバイス構造のプロセスフローのうち図4の構
造の全面に、酸化シリコンをデポジションした状態を示
す断面図である。
【図6】図5の酸化シリコン膜に異方性のエッチングを
行いサイドウォールを形成し、これにゲート酸化膜を形
成し、更にポリシリコンを全面に堆積させた状態を示す
断面図である。
【図7】薄膜SOI上に形成されるバイポーラトランジ
スタの第1の変形例を示すデバイスの断面図である。
【図8】薄膜SOI上に形成されるバイポーラトランジ
スタの第2の変形例を示すデバイスの断面図である。
【図9】従来の薄膜SOIに形成されたMOSトランジ
スタの構造を示す断面図である。
【図10】従来の縦型バイポーラトランジスタの構造を
示す断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 酸化シリコン膜 3 シリコン薄膜 4 ポリサイド膜 9a〜9f サイドウォール 10 MOSトランジスタ 11 ソース・ドレイン領域 12 チャネル形成領域 16 ゲート電極 20 バイポーラトランジスタ 21,23 コレクタ引出し電極 22 コレクタ領域 25 ベース領域 27 ミッタ領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小高 雅則 東京都青梅市今井2326番地 株式会社 日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 池田 隆英 東京都青梅市今井2326番地 株式会社 日立製作所デバイス開発センタ内 (56)参考文献 特開 平5−114734(JP,A) 特開 平3−131062(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8249 H01L 21/331 H01L 27/06 H01L 27/12 H01L 29/73

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面に第1の絶縁膜を介し
    て半導体薄膜が形成され、 該半導体薄膜に第1の導電形の拡散層が形成されてバイ
    ポーラトランジスタのコレクタ領域が構成され、 該コレクタ領域を囲むように半導体薄膜に高濃度の第1
    の導電形の拡散層が形成されると共に該高濃度の拡散層
    の上に低抵抗の導電層が形成されてコレクタ引出し電極
    が構成され、 前記コレクタ領域の上を覆う第2の絶縁膜に設けられた
    開口部の内側に当該コレクタ領域と接する第2の導電形
    ベース領域が形成され、 該ベース領域の上を覆う第3の絶縁膜に設けられた開口
    部の内側に当該ベース領域と接する第1の導電形エミッ
    タ領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 半導体基板の表面に第1の絶縁膜を介し
    て半導体薄膜が形成され、該半導体薄膜に第1の導電形
    の拡散層が形成されてコレクタ領域とされ、該コレクタ
    領域を囲むように半導体薄膜に高濃度の第1の導電形の
    拡散層が形成されると共に該高濃度の拡散層の上に低抵
    抗の導電層が形成されてコレクタ引出し電極とされ、前
    記コレクタ領域の上を覆う第2の絶縁膜に設けられた開
    口部の内側に当該コレクタ領域と接する第2の導電形ベ
    ース領域が形成され、該ベース領域の上を覆う第3の絶
    縁膜に設けられた開口部の内側に当該ベース領域と接す
    る第1の導電形エミッタ領域が形成されてなるバイポー
    ラトランジスタと、 半導体基板の表面に第1の絶縁膜を介して半導体薄膜が
    形成され、該半導体薄膜に第1の導電形の拡散層が形成
    されてMOS形トランジスタのチャネル形成領域が構成
    され、該チャネル形成領域の表面にゲート酸化膜が形成
    され、前記チャネル形成領域を挟むように前記半導体薄
    膜にソース領域若くはドレイン領域としての一対の高濃
    度の第2の導電形の拡散層が形成されると共に該高濃度
    の拡散層の上に一対の導電層が形成されて前記ゲート酸
    化膜上に第2の導電形の半導体層からなるゲート電極が
    形成されてなるMOS形トランジスタと、 を有する半導体装置を製造するに当たり、前記エミッタ
    領域を構成する半導体層と、前記ゲート電極を構成する
    半導体層とを同一工程で形成することを特徴とする半導
    体装置の製造方法。
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