JPH0348428A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0348428A
JPH0348428A JP10620990A JP10620990A JPH0348428A JP H0348428 A JPH0348428 A JP H0348428A JP 10620990 A JP10620990 A JP 10620990A JP 10620990 A JP10620990 A JP 10620990A JP H0348428 A JPH0348428 A JP H0348428A
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JP
Japan
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film
oxide film
gate electrode
field oxide
sidewall
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JP10620990A
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English (en)
Inventor
Nobuyuki Takenaka
竹中 信之
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electronics Corp
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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】 産業上の利用分野 本発明はLDD−MOSFET (LightlyDo
ped Drain MO S型電界効果トランジスタ
)の新規な構造に関する。
従来の技術 従来のnチャンネル型LDD−MOSFETは第3図に
その要部の断面図を示すように、p型ンリコン基板21
上に形成されたフィールド酸化膜22と、同フィールド
酸化膜22に囲まれた領域に形成されたゲート酸化膜2
3と、同ゲート酸化膜23上に形成されたゲート電極2
4と、同ゲート電極24に対して自己整合的に形戊され
たn拡散層25と、前記ゲート電極24の側壁部に形成
されたCVD酸化膜からなるサイドウォール26と、同
サイドウォールに自己整合的に形成されたn+拡散層2
7とで構成されている。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、従来のLDD−MOSFETでは、第3
図に示すようにn一拡散層25の一部がゲート電極24
の外部に存在するため特性が劣化しやすい欠点があった
すなわち、LDD−MOSFETの等価回路は第4図に
示すように、通常のMOSFETのソ−スおよびドレイ
ンに直列にn一拡散層の抵抗が接続された構成になって
いる。
このLDD−MOSFETを動作させた場合、ドレイン
端の高電界で発生したホットエレクトロンが、n一拡散
層上部の絶縁膜中にトラップされて、負の空間電荷層が
形成されるため、n一拡散層の表面層が空乏化して、n
一拡散層の抵抗が上昇し、トランジスタの電流駆動能力
が低下する問題があった。このように、LDD−MOS
FETは通常のMOSFETよりもホットエレクトロン
の影響を受けやすくなる欠点があった。
この欠点を解決するデバイス構造として、第5図に示し
た、導電膜をサイドウォールにしたLDD−MO S 
F E TがProc.  1 9 8 7  1 n
t.Symp,V L S I  Technolog
y,  Syste+o and Applicati
on(Taipei) ,  P. 2 6 0に報告
されている。このMOSFETは、第5図の要部断面図
に示すように、P型シリコン基板31上に形成されたフ
ィールド酸化膜32と、同フィールド酸化膜32に囲ま
れた領域に形成されたゲート酸化膜33と、同ゲート酸
化膜33上に形成されたゲート電極34と、同ゲート電
極34に対して自己整合的に形成されたn一拡散層35
と、前記ゲート電極34側壁部に形成されたドーブトポ
リシリコン膜からなるサイドウォール36と、同サイド
ウォール36に対して自己整合的に形成されたn+拡散
層37とで構成されている。
第5図に示したLDD−MOSFETでは、ポリシリコ
ン膜等の導電膜で形成されたサイドウォール36が、ゲ
ート電極34と接続されているので、n一拡散層35は
ゲート電極34と同電位のサイドウォール36で完全に
覆われている。したがって動作中に発生したホットエレ
クトロンが、n一拡散層35上部の絶縁膜33゛中にト
ラップされて、負の空間電荷層が形成されても、サイド
ウォールに加えられた正の電圧(−ゲート電圧)によっ
て空間電荷を打ち消すことができるので、n一拡散層3
5の抵抗上昇が抑制され、トランジスタの・電流駆動能
力の低下を防ぐことが可能となる。
第6図は、MOSFETのホットエレクトロン寿命(=
電流駆動能力が10%低下するまでの時間)と、MOS
FETの動作電圧の関係を示したものである。図中Cで
示した第3図のLDD−MOSFETでは、ゲート長L
=0.8μmの場合5■動作で10年の寿命を保証する
ことはできない。一方、図中Bで示した第5図のLDD
−MOSFETの場合、上記の効果によ.ってホットエ
レクトロン耐性が大幅に改善されているので、5v動作
の寿命は10年以上になる。
しかし、第5図に示したLDD−MOSFETでは、n
一拡散層35とサイドウォール36間の絶縁膜33゜が
、ゲート酸化膜33のゲート電極34エッチング時のエ
ッチ残膜で形成されているので、エッチングダメージを
内在しており、信頼性の低い絶縁膜であるという欠点を
持っていた。
すなわち、ゲート電極34のエッチング時に、ゲート電
極34以外の領域のゲート酸化膜は、オーバーエッチ時
間中にプラズマにさらされ、その膜厚を減少させられる
と同時にプラズ、マダメ−ジを受けることになる。この
ようにダメージを受けた酸化膜は、MOSFETの動作
時に、サイドウォール36とn一拡散層35間に加えら
れる電圧によって時間と共に劣化が進行し、遂には絶縁
破壊に到る、いわゆるT DD B ( T ime 
DependentD ielectric B re
akdown )特性が悪化するという欠点を有するこ
とになるのである。
課題を解決するための手段 本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので
あり、一導電形の半導体基板上にフィールド酸化膜で囲
まれた能動領域があり、同能動頭域に第1の絶縁膜が形
成されてあり、同第1の絶縁膜上および前記フィールド
酸化膜上に第1の導電膜が形成されてあり、さらに同第
1の導電膜の側壁には第2の絶縁膜を介して第2の導電
膜が形成されてあり、同第2の導電膜と前記半導体基板
間には第3の絶縁膜が形成されてあり、さらに前記第1
の導電膜と第2の導電膜は、前記のフィールド酸化膜上
に形成された部分において少なくとも一部分がお互いに
直接接続されている構造を有する。
作用 本発明の半導体装置では、LDD−MOSFETのサイ
ドウォールが導電膜で形成されており、さらに同導電膜
がゲート電極と電気的に接続されている。よって、n一
拡散層の上部には絶縁膜を介してゲート電極に接続され
た導電膜が形成されているので、n一拡散層上部の絶縁
膜中にホットエレクトロンがトラップされても、ゲート
に印加される電圧によって、負の空間電荷の影響を打ち
消すことができる。
さらに、サイドウォールとn一拡散層間の絶縁膜を、ゲ
ート電極のエッチング後に、残存するゲート酸化膜を除
去して新たに形成することができるので、この絶縁膜の
TDDB特性を大幅に改善することが可能となる。
実施例 本発明の半導体装置をnチャンネル型のLDDMOSF
ETに応用した場合の一実施例を第1図に示す。第1図
(a)は本発明のLDD−MOSFETの平面図、同図
+b)および(ClはX−X”問およびY−Y’間の断
面図を示す。
本発明の−(, D D − M O S F E T
は、第1図(blに示すように、P型シリコン基板1上
に形成されたフィールド酸化膜2と、同フィールド酸化
膜2で囲まれた領域に形成されたゲート酸化膜3と、同
ゲート酸化膜3とフィールド酸化膜2上に形成されたポ
リシリコンからなるゲート電極4と、シリコン基板l中
に同ゲート電極4に自己整合的に形成されたn一拡散層
5と、ゲート電極4−上に形成されたポリシリコン酸化
膜6と、さらにゲート電極4の側壁にポリシリコン酸化
膜6を介して形成されたポリシリコンからなるサイドウ
ォール8と、サイドウォール8とシリコン基板1間に形
成された第2ゲート酸化膜7と、シリコン基板1中にサ
イドウォール8の自己整合的に形成されたn+拡散層9
とから構成されている。また、ゲート電極4とサイドウ
ォール8は、第1図(alおよび(Clに示すようにフ
ィールド酸化膜2上の接続部10において直接接続され
ている。
本発明のLDD−MOSFETでは、第l図fb)に示
すごとく、n一拡散層5の上部に第2ゲート酸化膜7を
介してポリシリコンサイドウォール8が形或されており
、さらにこのサイドウオール8はフィールド酸化膜2上
の接続部10でゲート電極4につながっている。したが
って、ゲート電極4の外部に形成されたn一拡散層5は
、従来のLDD−MOSFETと異なり、ゲート電極き
して作用するサイドウォール8に覆われている。
次に本発明のLDD−MOSFETの製造方法を第2図
で簡単に説明する。第2図の左側は第1図(a)のx 
 −x“゜間の断面図、また右側はY−Y ’間の断面
図である。
まず、第2図(alに示すように、P型シリコン基板(
基板濃度約I X 1 0 15am−3、面方位10
0)1の所望領域にL O G O S ( Loca
l OxidationOf 3i1icon)法にて
膜厚約5000人のフィールド酸化膜2を形成する。続
いて、フィールド酸化膜2で囲まれたシリコン基板1中
に、フィールド酸化膜2をマスクにしてボロンイオンを
加速エネルギー約5 0 k e V,ドーズ量約1.
 4 X 1 0 12cm−2の条件でイオン注入し
、約900度の窒素雰囲気中で約30分間アニールして
注入イオンを活性化させる。この時のボロンイオンの注
入条件は、MOSFETのしきい値を最適化するように
設定する必要がある。本実施例ではゲート長0.8μm
のMOSFETのしきい値が、バックゲートバイアスが
−2v時に、約0.5Vになるように設定した。次に、
フィールド酸化膜2で囲まれたシリコン基板1の表面を
、約900度の酸素雰囲気中で約60分間熱酸化して、
膜厚約200人のゲート酸化膜3を形成する。本実施例
で製作したゲート長0.8μmのMOSFETでは、ゲ
ート酸化膜厚は比例縮小則( S caling L 
at)から、約140人から約220λ程度の範囲にあ
るのが望ましい。次に、ゲート酸化膜3上に、シラン(
SiH+)ガスを用いた減圧CVD法にて、膜厚約40
00人のポリシリコン膜f堆積し、続いて約1000度
のフォスフィン(PH3)ガスと酸素雰囲気中で約30
分間熱処理を施して、ポリシリコン膜にリンを約IQ”
am−3程度ドープする。この時、ポリシリコン膜のシ
ート抵抗値は約30Ω/口になる。次に、ポリシリコン
膜上の所望領域にフォトリソグラフィー法によってフォ
トレジストをノ{ターンニング後、このレジストをマス
クにして、フロン系ガスを主成分とするエッチングガス
を用いて、ポリシリコン膜の不要部分を反応性イオンエ
ッチ(R I E)にてエッチングして、幅0.8μm
のゲート電極4を形成する。この時、エッチング条件は
ゲート電極4がほぼ垂直に加工できるように設定する必
要がある。また、ゲート電極4直下以外のゲート酸化膜
は、ポリシリコン膜のエッチング処理中のオーバーエッ
チング時に、プラズマにさらされて、ダメージを受ける
と同時に、膜も少しエッチングされることになる。本実
施例の場合、オーバーエッチ時間は、ジャストエッチ時
間の約30%に設定してあり、また、エッチングのポリ
シリコンと酸化膜の選択比が約15であるのでエッチン
グ後の、ゲート電極以外のゲート酸化膜は約80人程度
膜厚が薄くなる。
次に、ゲート電極4とフィールド酸化膜2をマスクにし
て、シリコン基板1中に、上記の残存するゲート酸化膜
(残膜約120人)を通して、リンイオンを、加速エネ
ルギー約4 0 k e V,  ドーズ量l ×l 
Q l 3 cra − 2の条件でイオン注入して、
リン注入層5゜を形成する。この時、リンの加速エネル
ギーは約20keVから約60keVの範囲であるのが
望ましい。加速エネルギーがこれ以下では、イオン注入
のビーム電流が小さくなりすぎて実用的でない。また、
これ以上では、チャネリングによってリンイオンが、ゲ
ート電極を突き・抜ける恐れがある。リンイオン注入後
、バッファードフッ酸(HF : NH4F=1 : 
20)溶液にて、残存するゲート酸化膜を除去する。ゲ
ート電極の加工後に残存するゲート酸化膜は、エッチン
グダメージと上記のリンイオン注入による注入ダメージ
を受けているので完全に除去する必要がある。
また、リンイオン注入は、残存するゲート酸化膜を通し
てシリコン基板1中に注入したが、これはシリコン基板
1への注入ダメージを低減するために取った処置である
次に第2図(blに示すように、シリコン基板1に、窒
素雰囲気中、約900℃で約30分間の熱アニール処理
を施して、注入されたリンを活性化および拡散させて、
深さ約0.2μmのn一拡散層5を形成する。次にシリ
コン基板1に、ウェット酸素雰囲気(H2: Q2=1
 : 2)中、約900℃で約20分間の熱酸化処理を
施して、ゲート電極4表面および拡散層5を含むシリコ
ン基板1表面を酸化して、膜厚約600人のポリシリコ
ン酸化膜6と膜厚約300人の第2ゲート酸化膜7を同
時に形成する。この時、ゲート電極(ポリシリコン膜)
4とn一拡散層5の不純物濃度が、それぞれ約1020
01−3と約1018CI1−3と大幅に異なっている
ので酸化速度に約2倍の差が生じ、同時に酸化しても前
述のように異なった膜厚が得られる。この後、フォトリ
ソグラフィー法によって、膜厚約1μmのフォトレジス
ト11をパターンニングして、第2図(b)のように、
フィールド酸化膜2上のゲート電極4の端部に重なるよ
うに、寸法約1.2μmの開孔12を形成する。この時
、開孔12はゲート電極4上とフィールド酸化膜2上の
両方にほぼ均等に重なるように形成するのが望ましい。
フォトレジスト11を形成後、開孔12部に露出するポ
リシリコン酸化膜6をパッファードフッ酸(NH4 F
 : HF=20 : 1)で約2分間エッチングして
除去する。この時、開孔12内のフィールド酸化膜2も
エッチングされるので、エッチング時間を必要以上に長
くしてはい+4ない。このエッチングで開孔部のフィー
ルド酸化膜2も約600λ程度エッチングされるが、こ
の程度の膜減りであれば、素子特性に悪影響を与えるこ
とはない。
なお、第2図(b)ではフィールド酸化膜2の膜減りは
図示していない。
次に、フォトレジスト11を酸素プラズマ中でアッシン
グして除去した後、第2図+Clに示すように、ポリシ
リコン酸化膜6,第2ゲート酸化膜7.フィールド酸化
膜2および開孔12上に、シラン(SiH4)ガスを用
いた減圧CVD法にて農厚約2500人のポリシリコン
膜8゜を形成する。減圧CVD法で成長したポリシリコ
ン膜はステップカバレージが良好なので、ポリシリコン
膜8゛はゲート電極4の側壁部にも約2500人の厚さ
で成長する。また、開孔12部ではポリシリコン膜から
なるゲート電極と、新たに成長させたポリシリコン膜8
゜が直接接触している。ポリシリコン膜8゜は、後工程
でヒ素のイオン注入によってドーピングされるので、こ
の時ドーブしておく必要はない。
次に、ポリシリコン膜8゜に、4塩化炭素(CCl4)
を主成分とするエッチングガスを用いた反応性イオンエ
ッチング(R I E)にて異方性エッチングを施す。
この時、ポリシリコン膜8゜は異方性にエッチされるの
で、急峻な段差部と平坦部では、段差部の方がポリシリ
コン膜8゛の除去に時間がかかることになる。本実施例
では、異方性エッチングのこの性質を利用して、平坦部
上のポリシリコン膜がエッチングされた状態でエッチン
グを停止することにより、第2図(dlに示すように、
ゲート電極4の側壁部にポリシリコン膜8゜からなるサ
イドウォール8を形成できる。この時、フィールド酸化
膜2端部の段差にポリシリコン膜が残らないように、エ
ッチング時間を設定する必要があるが、この段差は形状
がなだらかなので、本実施例では平坦部のエッチング時
間の約20〜30%増したエッチング時間を設定した。
サイドウォール8は、第2図1dlに示すように、ゲー
ト電極4の側壁に、ポリシリコン酸化膜6を介して形成
されているが、第2図(blで開孔12があった部分で
は、ゲート電極4とサイドウォールが直接接触している
。この後、シリコン基板l中に、第.2ゲート酸化膜7
を通して、ヒ素イオンを加速エネルギー約100keV
,  ドーズ量約5 X 1 0 I5c+n−2の条
件で注入して、ヒ素注入層9を形成する。この注入条件
下における、ヒ素イオンの飛路は、酸化膜中で約470
人、ポリシリコン膜中で約580人なので、第2ゲート
酸化膜7が露出している面以外の、フィールド酸化膜2
部,ゲート電極4部、およびサイドウォール8部の直下
のシリコン基板1中にはヒ素は注入されない。この時、
サイドウォール8にもヒ素イオンが注入されるが、図中
では見やすくするために省略してある。
次に、シリコン基板1に、約900℃の窒素雰囲気中で
約60分間熱処理を施して、注入されたヒ素を活性化お
よび拡散させて、第1図fb), (Clに示すような
拡散深さ約0.15μmのn+拡散層9を形成する。こ
の熱処理後のn+拡散層のシート抵抗は約60Ω/口に
なる。また、シリコン基板と同時にヒ素イオンが注入さ
れたサイドウォール8のシート抵抗は約数100Ω/口
程度になる。
最後に、図示していないが層間絶縁膜を介して、ゲート
電極4,n゜拡散層9に引き出し電極を形或することに
よって、本発明のLDD−MOSFETが完或する。
本実施例で示したL D D − M O S F E
 Tでは、n−拡散層5は、膜厚約300人の第2ゲー
ト酸化膜7を介して、ポリシリコン膜からなるサイドウ
ォール8で覆われている。さらに、サイドゥオール8は
フィールド酸化膜2上でゲート電極4と直接接触してい
る。このため、本発明のLDD−MOSFETでは、動
作中にFレイン近傍の高電界によってホットエレクトロ
ンが発生し、n一拡散層5上の第2ゲート酸化膜7中に
注入され、トラップされても、サイドウォール8にゲー
ト電極4と同じ正の電位が与えられるので、ホットエレ
クトロンのトラップによって発生する負の空間電荷は、
サイドウォールの正電位で打ち消されることになる。こ
のため、第3図に示した従来のLDD一MO S F 
E Tで問題になった、ホットエレクトロンのトラップ
に起因する負の空間電荷でn−拡散層表面が空乏化し、
それによってn一拡散層の抵抗が上昇し、トランジスタ
の駆動能力が低下するという問題は、本発明のLDD−
MOSFETでは大幅に改善されることになる。その結
果、第6図に示すように、本発明のLDD−MOSFE
Tでは、ホットエレクトロン寿命を1桁以上改善するこ
とができる。
また、第5図に示した、従来型のLDD−MOSFET
では、n−拡散層35とサイドゥオール36間の酸化膜
33゛はゲート酸化膜33のエッチング残膜であるので
、膜厚が薄く、かつドライエッチ,イオン注入によって
膜質も劣化している。このようなMOSFETに、外部
から過電圧が加わった場合、n一拡散層35(ソース又
はドレイン)とサイドウオール36間で絶縁破壊を起こ
しやすい問題があったが、本実施例のLDD−MO S
 F E Tでは、n一拡散層5上には膜厚約300人
とゲート酸化膜3よりも厚い第2ゲート酸化膜7が形成
されている。この酸化膜は、ゲート酸化膜3のエッチン
グ残膜を除去した後で成長させたものであり、膜質も良
好なので、絶縁耐圧も高い。したがって、本発明のLD
D−MOSFETに外部から過電圧が加わっても、ゲー
トードレイン(又はソース)間で絶縁破壊を起こすこと
はない。
発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明のLDD−MOS
FETでは、ゲート電極の外側に拡がるn一拡散層は、
第2ゲート酸化膜とゲート電極に接続されたポリシリコ
ンサイドウオールとで覆われているので、ホットキャリ
アがトラップされて形成される負の空間電荷層の影響を
ゲートに印加される正電圧で打ち消せるので、n一拡散
層の抵抗上昇によるトランジスタの特性劣化を防ぐ効果
を有する。また、ゲートとソース(又はドレイン)のオ
ーバーラップ部分は膜質の劣化のない第2ゲート酸化膜
で絶縁されているので、外部からの過電圧に付して破壊
されにくくなる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図1a)は本発明のLDD−MOSFETの平面図
、第1図Tbl. (ClはそれぞれX−X’,Y−Y
’間の断面図、第2図(al〜(dlは本発明のL,D
D−MOSFETの製造方法を説明するための工程順断
面図、第3図は従来のLDD−MOSFETの要部の断
面図、第4図は従来のLDD−MOSFETの等価回路
を示す図、第5図は従来のLDD−MOSFETを説明
する素子の断面図、第6図はホットエレクトロンの寿命
を説明する図である。 1・・・・・・シリコン基板、2・・・・・・フィール
ド酸化膜、3・・・・・・ゲート酸化膜、4・・・・・
・ポリシリコンゲート電極、5・・・・・・n″拡散層
、6・・・・・・ポリシリコン酸化膜、7・・・・・・
第2ゲート酸化膜、8・・・・・・ポリシリコンサイド
ウォール、9・・・・・・n+拡散層、10・・・・・
・接続部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 一導電形の半導体基板上にフィールド酸化膜で囲まれた
    能動領域があり、同能動領域に第1の絶縁膜が形成され
    てあり、同第1の絶縁膜上および前記フィールド酸化膜
    上に第1の導電膜が形成されてあり、さらに同第1の導
    電膜の側壁には第2の絶縁膜を介して第2の導電膜が形
    成されてあり、同第2の導電膜と前記半導体基板間には
    第3の絶縁膜が形成されてあり、さらに前記第1の導電
    膜と第2の導電膜は、前記のフィールド酸化膜上に形成
    された部分において少なくとも一部分がお互いに直接接
    続されていることを特徴とする半導体装置。
JP10620990A 1989-04-21 1990-04-20 半導体装置 Pending JPH0348428A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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JP10027689 1989-04-21
JP1-100276 1989-04-21

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