JPH05109994A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH05109994A
JPH05109994A JP29201091A JP29201091A JPH05109994A JP H05109994 A JPH05109994 A JP H05109994A JP 29201091 A JP29201091 A JP 29201091A JP 29201091 A JP29201091 A JP 29201091A JP H05109994 A JPH05109994 A JP H05109994A
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transistor
bipolar transistor
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JP29201091A
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Shinichi Ito
信一 伊藤
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/08Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind
    • H01L27/085Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only
    • H01L27/088Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate
    • H01L27/092Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate complementary MIS field-effect transistors
    • H01L27/0921Means for preventing a bipolar, e.g. thyristor, action between the different transistor regions, e.g. Latchup prevention

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

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Bi−CMOS構造において、バイポーラト
ランジスタの素子分離領域を工程数の増大や不純物の再
分布等を防止しながら形成する。また、CMOS構造の
ラッチアップ耐性も向上させる。 【構成】 (n)MOSトランジスタ20のウェル領域
22と、バイポーラトランジスタ2の接合分離5を、複
数回のイオン注入により同時に形成したものとする。複
数回のイオン注入によってエピタキシャル層4を貫通す
るような深い深さに至る接合分離5が得られ、MOSト
ランジスタ20のウェル領域22の形成工程と同時に形
成されるため、工程数が増大しない。また、ウェル領域
22のピークの位置がエピタキシャル層4の中間部分と
なるため、ラッチアップ耐性も良好となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はMOSトランジスタとバ
イポーラトランジスタが同一半導体基板上に形成される
半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】pチャンネル型及びnチャンネル型のM
OSトランジスタと共に、バイポーラトランジスタを同
一基板上に形成するBi−CMOS構造の半導体装置が
知られており、その高速性と低消費電力等の利点を活用
した素子の研究・開発が進められている。
【0003】ところで、シリコン基板の如き半導体基板
上に各素子を集積させて配置する際には、素子間の電気
的な分離を行うための素子分離領域が形成される。この
素子分離領域の形成方法としては、p型の不純物領域と
n型の不純物領域の間のpn接合を利用した接合分離法
や、選択酸化法によって形成された厚いフィールド酸化
膜(LOCOS膜)を用いて素子間分離をする方法や、
或いは素子の間の領域に溝(トレンチ)を形成し、その
溝に絶縁膜を埋め込むトレンチ分離法等が知られてい
る。
【0004】そして、特にバイポーラトランジスタの素
子分離を行う場合では、ウェル領域を形成する方法と、
フィールド酸化膜を形成する方法が知られる。
【0005】例えばnpn型の縦型バイポーラトランジ
スタに対して素子分離用のp型のウェル領域を形成する
場合では、そのトランジスタの構造がn+型の埋め込み
層をコレクタの一部として用いるため、n+ 型の埋め込
み層上のn型のエピタキシャル層の膜厚を貫通し且つ活
性領域を包括するような大きなサイズのp型のウェル領
域が形成される。
【0006】また、フィールド酸化膜を形成する方法で
は、同様に埋め込み層の位置よりも深い位置に、p型の
シリコン基板が存在するために、そのp型のシリコン基
板に到達するような深さ1μm程度の厚いフィールド酸
化膜が形成される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、pMOS及
びnMOSトランジスタとバイポーラトランジスタを同
一半導体基板上に形成するBi−CMOS構造の半導体
装置では、次のような素子分離領域の形成時の問題が生
ずる。
【0008】例えば、バイポーラトランジスタにおける
素子分離をp型のウェル領域の形成によって行う場合で
は、p型のウェル領域を大きなサイズで形成する必要が
あるため、高温で長時間かけて徐々に不純物を拡散させ
てp型のウェル領域が形成される。ところが、高温長時
間でウェル領域を形成した場合では、埋め込み層の再分
布が生じ、エピタキシャル層の不純物濃度分布が変化し
てバイポーラトランジスタの特性が変化する。
【0009】また、バイポーラトランジスタを1μm程
度の厚いフィールド酸化膜により素子間分離する場合で
は、同じ膜厚のフィールド酸化膜をそのままMOSトラ
ンジスタの素子分離に利用することができないことか
ら、Bi−CMOS構造の半導体装置を完成するために
は、厚い膜厚と薄い膜厚の2種類の膜厚のフィールド酸
化膜が必要となり、工程数が大幅に増大してしまう。
【0010】さらに、CMOS構造には、特有のラッチ
アップ現象があり、ラッチアップ耐性を向上させること
も高集積化を図る上で不可欠である。
【0011】そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑
み、バイポーラトランジスタとMOSトランジスタを同
一半導体基板上に形成する半導体装置において、バイポ
ーラトランジスタの素子分離領域に際して、埋め込み層
の再分布等が発生せず、且つ工程数の増大を招かず、更
にラッチアップ耐性にも良好な構造の半導体装置の提供
を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の半導体装置は、MOSトランジスタとバ
イポーラトランジスタを同一半導体基板上に形成する半
導体装置において、前記MOSトランジスタのウェル領
域と、前記バイポーラトランジスタの接合分離領域は、
複数回の同時のイオン注入で導入された不純物により形
成されることを特徴とする。
【0013】本発明の半導体装置に形成されるMOSト
ランジスタをCMOS構造とする場合では、例えばnp
n型のバイポーラトランジスタの接合分離と、nMOS
トランジスタのp型のウェル領域を複数回の同時のイオ
ン注入で形成できる。半導体基板が埋め込み層上にエピ
タキシャル層を積層した構造である場合、p型のウェル
領域については、不純物のピークをn型の埋め込み層か
ら離間した位置に有するものとすることができる。
【0014】
【作用】バイポーラトランジスタの接合分離を複数回の
イオン注入から構成することで、エピタキシャル層を貫
通するような深い深さの接合分離が同一マスクを用いな
がら形成できることになる。従って、高温長時間の拡散
や厚いフィールド酸化膜の形成等は不要となる。また、
その接合分離の形成のためのイオン注入と同工程で、M
OSトランジスタのウェル領域を形成することで、その
ウェル領域の濃度のピークの位置がエピタキシャル層中
になる。このためラッチアップ耐性が良好となり、ま
た、そのウェル領域及び接合分離の形成のために何ら工
程数の増加もない。
【0015】
【実施例】本発明の好適な実施例を図面を参照しながら
説明する。
【0016】図1にその断面図を示すように、本実施例
のBi−CMOS構造の半導体装置は、バイポーラトラ
ンジスタ2と、nMOSトランジスタ20及びpMOS
トランジスタ21を同一のp型のシリコン基板1上に形
成した構造を有する。本実施例は、Bi−CMOS構造
の例えばSRAMであり、MOSトランジスタによりメ
モリセル等が形成され、バイポーラトランジスタにより
周辺回路等が形成される。
【0017】まず、バイポーラトランジスタ2は、p型
のシリコン基板1上にSb若しくはAsが高濃度にドー
プされたn+ 型の埋め込み層3を有し、シリコン基板1
上及びn+ 型の埋め込み層3上にはエピタキシャル成長
により形成されたn型のエピタキシャル層4を有する。
【0018】n型のエピタキシャル層4には、当該エピ
タキシャル層4の表面からp型のシリコン基板1に到達
するような接合分離領域5が形成される。この接合分離
領域5は、p型の不純物を2回のイオン注入によって打
ち込んで形成された領域であり、深さは1〜2μm程度
のものとなる。この接合分離領域5は、従来の如き高温
長時間の不純物拡散や厚いフィールド酸化膜の形成を要
せずに、素子間分離をなすものである。
【0019】n型のエピタキシャル層4の表面には、フ
ィールド酸化膜6が形成されている。このフィールド酸
化膜6は、MOSトランジスタの素子分離のためのフィ
ールド酸化膜6と共に形成される膜であり、選択酸化法
によって形成された膜である。このフィールド酸化膜6
はエピタキシャル層4の全膜厚に亘って形成されるもの
ではないために、それ自体バイポーラトランジスタの素
子分離に充分な膜厚ではないが、代わりに前記接合分離
領域5を有するため、バイポーラトランジスタの素子分
離には問題が生じない。
【0020】n+ 型の埋め込み層3には、コレクタ取り
出しのためのプラグ領域7が接続する。プラグ領域7は
+ 型の高濃度不純物拡散領域からなり、底部でn+
の埋め込み層3に接続し、エピタキシャル層4を貫通し
てフィールド酸化膜2の間から基板表面に取り出され
る。
【0021】プラグ領域7に対してフィールド酸化膜2
を以て隔てられたn+ 型の埋め込み層3上のエピタキシ
ャル層4の基板表面には、ベース領域8,9及びエミッ
タ領域10が形成される。本実施例のバイポーラトラン
ジスタのベース構造は、外部ベース(グラフトベース)
領域8と内部ベース(イントリンシックベース)領域9
の組合せからなる構造とされ、内部ベース領域9の方が
拡散層の厚みが薄くされる。その内部ベース領域9の内
側には、表面に被着された薄いポリシリコン膜11から
の拡散によりエミッタ領域10が形成される。
【0022】このようなベース領域8,9やエミッタ領
域10が形成される基板表面上には、層間絶縁膜12が
被覆され、さらにその層間絶縁膜12上には、リフロー
膜13も形成される。これら層間絶縁膜12やリフロー
膜13は次に説明するMOSトランジスタのものと共通
である。そして、これら層間絶縁膜12及びリフロー膜
13には、エミッタ,コレクタ,ベース用の各コンタク
トホール14e,14c,14bが形成されると共に、
接合分離領域5への給電用のコンタクトホール14iも
形成される。そして、各コンタクトホール14e,14
c,14b及び14iを介して、アルミニウム系配線層
からなるそれぞれエミッタ電極15e,コレクタ電極1
5c,ベース電極15b及び素子分離用電極15iが形
成される。エミッタ電極15eはポリシリコン膜11を
介してエミッタ領域10に接続し、ベース電極15eは
外部ベース領域8を介して内部ベース領域9に接続し、
コレクタ電極15cはプラグ領域7を介してn+ 型の埋
め込み層3及びn型のエピタキシャル層4に接続する。
【0023】次に、MOSトランジスタ側はnMOSト
ランジスタ20とpMOSトランジスタ21の両方を有
するCMOS構造とされる。
【0024】nMOSトランジスタ20の構造は、p型
のシリコン基板1上にバイポーラトランジスタと同様の
+ 型の埋め込み層3を有し、そのn+ 型の埋め込み層
3上にp型のウェル領域22を有する構造とされる。こ
のp型のウェル領域22はn型のエピタキシャル層4に
形成されたウェル領域であり、特に、接合分離領域5の
形成のための2度のイオン注入と共に形成された領域で
ある。このp型のウェル領域22は、後述するような不
純物濃度分布(図2参照)を有するために、ラッチアッ
プに強い構造となる。nMOSトランジスタ20の下部
にn+ 型の埋め込み層3を形成することで、メモリセル
のソフトエラー対策となり、ECLレベル用入出力にも
便宜である。
【0025】そのp型のウェル領域22の表面には、ゲ
ート絶縁膜23を介してゲート電極24が形成される。
ゲート電極24はポリシリコン層やタングステンシリサ
イドの如きポリサイド構造などからなる。ゲート電極2
4の側壁には、スペーサとしてのサイドウォール25が
形成され、これらゲート電極24やサイドウォール25
は、バイポーラトランジスタと共通の層間絶縁膜12及
びリフロー膜13に被覆される。
【0026】nMOSトランジスタ20のn型の拡散層
26,26はp型のウェル領域22の表面に形成され、
その拡散層26,26がソース領域,ドレイン領域とし
て機能する。拡散層26,26はゲート電極24及びフ
ィールド酸化膜6等をマスクとするイオン注入の不純物
によってセルフアラインで形成される。これら拡散層2
6,26上には、層間絶縁膜12及びリフロー膜13を
貫通するコンタクトホール27がそれぞれ形成され、こ
のコンタクトホール27を介しソース電極28s,ドレ
イン電極28dがパターニングされたアルミニウム系配
線層によって形成されている。
【0027】次に、pMOSトランジスタ21の構造
は、シリコン基板1上にn+ 型の埋め込み層3を有し、
その上にn型のエピタキシャル層4が積層される基板構
造を有する。特にn型のウェル領域は形成されず、基板
自体の構造はバイポーラトランジスタと同じとなる。n
MOSトランジスタ20と同様なゲート絶縁膜23,ゲ
ート電極24,サイドウォール25が形成され、これら
は層間絶縁膜12とリフロー膜13に被覆される。
【0028】pMOSトランジスタ21のp型の拡散層
30,30は、n型のエピタキシャル層4の表面にフィ
ールド酸化膜6やゲート電極24等をマスクとして形成
され、これら拡散層30,30に層間絶縁膜12及びリ
フロー膜13に形成されたコンタクトホール31,31
を介してソース電極32s,ドレイン電極32dが接続
する。
【0029】概ね以上のような構造を有する本実施例の
半導体装置は、図2及び図3に示すような不純物濃度分
布を有する。
【0030】まず、図2は図1のII−II線に沿った
MOSトランジスタのチャンネル部分の基板の深さ方向
における不純物濃度分布を示す。図2の横軸は基板の深
さ(μm)であり、縦軸は不純物濃度(cm-3)であ
る。図2中において、最も基板の深い部分には、p型の
シリコン基板1のプロファイルPsub があり、そのすぐ
浅い側には埋め込み層3のプロファイルNBLがある。埋
め込み層3の不純物濃度は比較的に高くその分布も厚い
範囲に及ぶ。そして、その埋め込み層3の基板表面側に
は、最初のイオン注入で形成された不純物プロファイル
P#1(実線)と、2度目のイオン注入で形成された不
純物プロファイルP#2(破線)とが位置する。
【0031】ここで、不純物プロファイルP#1,P#
2に着目すると、先ず、不純物プロファイルP#1の不
純物濃度のピークは、埋め込み層3より離れた位置(深
さ)にあり、n型のエピタキシャル層中に存在する。こ
のためラッチアップ耐性が確保される。また、不純物プ
ロファイルP#2は、不純物プロファイルP#1よりも
やや基板の深い位置に分布するものであり、基板表面よ
り隔離された分布であるために、全くnMOSトランジ
スタの動作特性に影響しない。また、不純物プロファイ
ルP#1のみならず、不純物プロファイルP#2も埋め
込み層3より浅い領域でのp型の不純物の分布に寄与す
るため、ラッチアップ耐性は良好なものとなる。
【0032】図3は、図1のIII−III線に沿った
バイポーラトランジスタの接合分離領域5の付近の深さ
方向における不純物濃度分布を示す。図3の横軸は基板
の深さ(μm)であり、縦軸は不純物濃度(cm-3)で
ある。図3中において、基板の深い部分には、p型のシ
リコン基板1のプロファイルPsub があり、そのシリコ
ン基板1の基板表面側には、図2と同様な最初のイオン
注入で形成された不純物プロファイルP#1(実線)
と、2度目のイオン注入で形成された不純物プロファイ
ルP#2(破線)とが位置する。
【0033】この図3の不純物プロファイルP#1,P
#2は、図2のそれと同一の工程で同時に形成されるた
め、同じ分布となる。不純物プロファイルP#1のみを
主にMOSトランジスタのラッチアップ耐性の点から形
成した場合には、p型のシリコン基板1の表面側にn型
のエピタキシャル層4が残存して、素子分離ができなく
なる。そこで、注入エネルギーを高エネルギー化した2
度目のイオン注入によって不純物プロファイルP#2を
不純物プロファイルP#1に一部重なり、且つn型のエ
ピタキシャル層4を遮断するように形成することで、素
子分離領域として機能できることになる。
【0034】図4は本実施例の半導体装置における2度
のイオン注入工程を説明するための工程断面図である。
【0035】その前提として、p型のシリコン基板1上
には、MOSトランジスタを形成すべき領域及びコレク
タ領域を形成すべき領域に対応して選択的にn+ 型の埋
め込み層3が形成される。n+ 型の埋め込み層3は、例
えばSbを導入して形成されるが、Asを用いても良
い。そして、n+ 型の埋め込み層3及び該n+ 型の埋め
込み層3の形成されていないシリコン基板1上には、エ
ピタキシャル成長法によってn- 型のエピタキシャル層
4が積層される。そして、このn- 型のエピタキシャル
層4の表面には選択酸化法によってフィールド酸化膜6
がMOSトランジスタの素子分離に充分な膜厚で選択的
に形成される。
【0036】次に、図4に示すように、レジスト層40
からなるレジストマスクが形成される。このレジスト層
40はnMOSトランジスタの素子形成領域に対応する
開口部44と、バイポーラトランジスタトランジスタの
接合分離領域に対応する開口部43を有し、pMOSト
ランジスタ等の同一基板上の他の領域には開口部が形成
されない。
【0037】このレジスト層40を形成した後、最初の
イオン注入によって不純物打ち込み領域41i,41w
が同時に形成される。このイオン注入の際のマスクは、
レジスト層40及びフィールド酸化膜6であり、少なく
ともMOSトランジスタのラッチアップ耐性が保たれる
ように、エピタキシャル層4中の深さ方向の或る範囲に
亘って不純物打ち込み領域41i,41wが同時に形成
される。
【0038】この最初のイオン注入のみでは、拡散後に
おいても不純物打ち込み領域41wの下部にn- 型のエ
ピタキシャル層4が残存し、その結果素子分離ができな
くなるため、最初のイオン注入に連続して第2回目のイ
オン注入を行う。この第2回目のイオン注入は、同じレ
ジスト層40を使用し、同じドーパント若しくは同導電
型で異なるドーパントで、打ち込みのエネルギーを高エ
ネルギーに変化させて形成する。その第2回目のイオン
注入により、不純物打ち込み領域41i,41wの直下
に一部重複した分布を有する不純物打ち込み領域42
i,42wが形成される。
【0039】以下、レジスト層40を除去し、アニール
によって不純物打ち込み領域41i,41w及び42
i,42wの不純物を拡散させ、図1に示す接合分離領
域5及びp型のウェル領域22を同一の工程でエピタキ
シャル層4中に形成する。
【0040】上述の工程によって、同一のマスクを用い
ながら、単にエネルギーを変化させるのみで何ら工程数
の増加なく接合分離領域5及びp型のウェル領域22を
形成することができる。その結果、埋め込み層の再分布
や2種類のフィールド酸化膜の形成等の問題なく、バイ
ポーラトランジスタの確実な素子分離がなされ、加えて
CMOS構造のラッチアップ対策が有効に行われること
になる。
【0041】なお、本実施例では、イオン注入の順序を
初めに低エネルギーとし、次に高エネルギーとしたが、
逆でも良く、また、2回に限定されず3回以上のイオン
注入によりウェル領域と接合分離領域を形成しても良
い。
【0042】
【発明の効果】本発明の半導体装置は、バイポーラトラ
ンジスタの接合分離領域とMOSトランジスタのウェル
領域が複数回のイオン注入により形成される構造とされ
る。このため接合分離に充分な深さで不純物を打ち込む
と同時に、ラッチアップにも有効なプロファイルで不純
物を打ち込むことができ、そのために特に工程数が増加
するようなこともない。
【0043】すなわち、イオン注入のみで充分な接合分
離が形成されるため、厚いフィールド酸化膜の形成等は
不要となり、高温長時間の拡散等が不要なため、埋め込
み層の再分布も発生しない。また、埋め込み層と離間し
た不純物プロプァイルのピークを有するようにウェル領
域を形成することで、ラッチアップ耐性の低下が防止さ
れることになる。
【0044】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例のBi−CMOS構造の半導体
装置の構造を示す要部断面図である。
【図2】図1のII−II線に沿った前記実施例にかか
るnMOSトランジスタの基板部分の不純物濃度分布図
である。
【図3】図1のIII−III線に沿った前記実施例に
かかるバイポーラトランジスタの接合分離領域部分の不
純物濃度分布図である。
【図4】前記実施例の半導体装置の製造工程のうちの複
数回のイオン注入工程における工程断面図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板 2…バイポーラトランジスタ 3…埋め込み層 4…エピタキシャル層 5…接合分離領域 6…フィールド酸化膜 7…プラグ領域 8…外部ベース領域 9…内部ベース領域 10…エミッタ領域 11…ポリシリコン膜 12…層間絶縁膜 13…リフロー膜 20…nMOSトランジスタ 21…pMOSトランジスタ 22…p型のウェル領域 23…ゲート絶縁膜 24…ゲート電極 25…サイドウォール 26,30…拡散層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 MOSトランジスタとバイポーラトラン
    ジスタを同一半導体基板上に形成する半導体装置におい
    て、 前記MOSトランジスタのウェル領域と、前記バイポー
    ラトランジスタの接合分離領域は、複数回の同時のイオ
    ン注入で導入された不純物により形成されることを特徴
    とする半導体装置。
JP29201091A 1991-10-14 1991-10-14 半導体装置 Withdrawn JPH05109994A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003017603A (ja) * 2001-06-28 2003-01-17 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
US6815779B1 (en) * 1999-02-09 2004-11-09 Stmicroelectronics S.R.L. Integrated circuit including protection against polarity inversion of the substrate potential
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