JPH09252117A - 電界効果トランジスタ - Google Patents

電界効果トランジスタ

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JPH09252117A
JPH09252117A JP5771096A JP5771096A JPH09252117A JP H09252117 A JPH09252117 A JP H09252117A JP 5771096 A JP5771096 A JP 5771096A JP 5771096 A JP5771096 A JP 5771096A JP H09252117 A JPH09252117 A JP H09252117A
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layer
gate
insulating film
gate insulating
effect transistor
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JP5771096A
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Kazuhiro Sasada
一弘 笹田
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 pチャネル電界効果トランジスタにイオン注
入する場合、BF2によるpチャネルへの貫通現象によ
って閾値電圧が変化することや、Bによりゲートやゲー
ト絶縁膜中に界面準位が発生してリーク電流が増大する
ことを抑制する。 【解決手段】 ゲート11に斜め方向からFを加速電圧
10〜100keV、注入量1×1011〜1×1016
-2でイオン注入して、ゲート絶縁膜2下に2×1012
〜2×1016cm-3のBを含む低濃度層8及び2×10
12〜2×1016cm-3のFを含む終端層13を形成する
と共に、ゲート11の下端部に高抵抗層12を形成し
て、実効電圧の低減と距離拡大によりゲート端部での絶
縁破壊を防止すると共にFの強い結合エネルギーにより
リーク電流の原因になる界面準位を解消する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電界効果トランジス
タの構造とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、特開昭58−142566号公
報参照に示されているようなLDD構造の電界効果トラ
ンジスタの製造方法を図6に基づいて説明する。図6a
に示すように、単結晶Si製のn型半導体層1上にゲー
ト絶縁膜2を形成し、さらにその上に、島状に加工され
た多結晶Si製の多結晶層3を形成する。
【0003】続いて、減圧雰囲気中で加速されたホウ素
(B)イオンを、n型半導体層1に垂直に注入する。す
ると、図6bに示すように、島状の多結晶層3の表面
と、島状の多結晶層3の両側とにp+層4が形成され
る。次に、図6cに示すように、熱処理によりゲート絶
縁膜2上の島状の多結晶層は、全てp層5となり、さら
にゲート絶縁膜2下のp+層は、後でLDDの低濃度層
として作用する厚さの厚いp層6となる。
【0004】それから、図6dに示すように、絶縁性の
側壁7を、一旦全面に熱CVDにより酸化シリコンを積
層してから、ゲート絶縁膜上のp層5の側面の酸化シリ
コンを残すようにエッチングすることにより形成する。
図6eに示すように、減圧下で加速されたBF2イオン
を、n型半導体層1に垂直に注入する。
【0005】この場合、先に形成された側壁7はp型不
純物であるBF2の注入を阻止する膜となる。その結
果、図6fに示すように、側壁7下のp層はBの濃度が
増えないため、低濃度層8となる。一方、ソース9及び
ドレイン10が、側壁7に隣接するゲート絶縁膜2下に
それぞれ形成される。
【0006】また、BF2イオンの注入によりゲート絶
縁膜2上のp層は、Bの濃度が上昇し、低抵抗となって
多結晶製のゲート11に変換される。このように、p型
の多結晶シリコンは、多結晶シリコンにBF2やBをイ
オン注入した後、熱処理により活性化することで製造し
ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、イオン種によ
ってイオン注入時の副作用は変化してくる。例えば、B
F2をイオン種にすると、ゲート中のBは、ゲート酸化
膜を通過してチャネル表面まで到達し、トランジスタの
閾値Vtを変化させるという欠点がある。
【0008】一方、Bをイオン種にすると、BF2のよ
うなチャネル表面への貫通(Penetration)
はないが、Si−SiO2界面の界面準位が増加すると
いう問題点がある。ゲートからBがゲート絶縁膜を通過
してチャネル表面へ達するか否かは、BF2の分解物
(フラッグメント)であるFが大きく寄与していると考
えられている(J.M.Sung et.al.,”F
luorine Effect Boron Diff
usion of P+ Gate Device
s”,IEDM(1989)pp447−450.)。
【0009】上述の文献によれば、最初にゲート中のB
は、Bがゲートからゲート絶縁膜を通してチャネルに到
達する際にゲート酸化膜中でB2O3が形成される傾向
がある。ところが、Fが存在すると、このB2O3の生
成が妨げられることにより、Bが貫通するのだろうと説
明している。
【0010】チャネル表面への貫通(Penetrat
ion)現象があるにも拘らず、Fは、Si−SiO2
界面のダングリングボンドを終端する性質があるので、
界面準位の低減に効果的である。本発明は、以上のよう
な事情に鑑みてなされたものであり、導電に寄与する不
純物が相対的に低濃度となったゲートの両端からゲート
の中央に比べて低い電界を欠陥に少ない終端層に印加す
ることにより、高耐圧な電界効果トランジスタを提供す
ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の電界効果トラン
ジスタは、ゲートの下端部の添加物の濃度が高いことを
特徴とする。また、本発明の電界効果トランジスタは、
ゲート中の添加物がハロゲン元素であることを特徴とす
る。
【0012】さらに、本発明の電界効果トランジスタの
製造方法は、半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程
と、ゲート絶縁膜上に島状の多結晶層を形成する工程
と、イオン注入により半導体層及び島状の多結晶層に不
純物を注入して表面に不純物層を形成する工程と、斜め
イオン注入により島状の多結晶層の下端部及び半導体層
にFを注入して、それぞれ高抵抗層と終端層とを形成す
る工程と、イオン注入によりゲート絶縁膜上の島状の多
結晶層と半導体層表面の不純物層に不純物を注入する工
程とを備えることを特徴とする。
【0013】あるいは、本発明の電界効果トランジスタ
の製造方法は、半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工
程と、ゲート絶縁膜上に島状の多結晶層を形成する工程
と、イオン注入により半導体層に不純物を注入して表面
に不純物層を形成する工程と、斜めイオン注入により島
状の多結晶層の下端部及び半導体層にFを注入して、そ
れぞれ高抵抗層と終端層とを形成する工程とを備えるこ
とを特徴とする。
【0014】換言すれば、本発明の電界効果トランジス
タは、ゲートの下端部の添加物が多いこととゲートの端
部の局部電界が欠陥の少ない終端層に印加されるという
要因のために、実質的にゲート端部と動作層との距離が
離れることと、ゲート端部の局部電界で誘起されるキャ
リアが少ないという結果が引き起こされ、ゲート端部で
の電界集中が少なくてインパクトイオン化が少なく、駆
動能力の劣化が小さいという作用を生じる。
【0015】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)本発明を具体化した第1の実施形態を
図を参照しつつ説明する。但し、従来例と同様の構成部
材には同じ符号を用い、その詳細な説明を省略する。
【0016】図1は本発明のLDD構造の電界効果トラ
ンジスタの断面図である。従来のゲートの抵抗が一様で
あるのに対して、図1から明らかなように、本発明は、
ゲート絶縁膜2上のゲート11の下端部に、高抵抗層1
2が断面形状で三角形状に有ることが特徴である。つま
り、本発明は、n型半導体の表面に形成されるpチャネ
ルの両端に加わる電界強度を従来より弱くすることが特
徴である。
【0017】次に、電界効果トランジスタを構成してい
る各要素の組成と構造について述べる。ゲート11は加
速電圧30keVでBをイオン注入したB換算で濃度1
×10 20cm-3の厚さ3000Åの多結晶シリコンから
構成されている。ゲート絶縁膜2側のゲート11の両端
に位置する高抵抗層12は、ゲートに垂直に1×1013
cm-2の注入量のB、添加物として、ゲートに斜めな方
向から1×1013cm-2の注入量のFを注入することで
形成される。
【0018】従って、活性化後のゲート11の面抵抗が
50Ω/□であるのに比べて、高抵抗層12の面抵抗は
2kΩ/□と大きい。また、通常の単位面積当りのゲー
トの静電容量が4×10-5pFμm-2であるのに比べて
ゲートの両端では1×10-6pFμm-2と小さくなる。
その結果、高抵抗層12でゲートの端部での電界集中が
起こりにくくなって、高耐圧となる。
【0019】また、高抵抗層12で容量が小さくなるこ
とにより、寄生容量が小さくなってスイッチング速度が
増す。続いて、ゲート絶縁膜2を挟んで高抵抗層12の
下方に有る低濃度層8はBの熱拡散によって形成される
が、1×1012cm-3のBと1×1012cm-3のFとを
含んでいる。
【0020】図2は、n型半導体層表面に形成されてい
る終端層とゲート絶縁膜との界面の断面図である。図2
に示すように、添加物であるFを含む半導体製の終端層
と、Fを含む絶縁体であるゲート絶縁膜とは、内部に含
む欠陥がFにより解消されている。上述のように、低濃
度層にFが含まれているので、ゲート絶縁膜と低濃度層
との間に存在する結合が切れた、いわゆるダングリング
ボンドが、Fによって終端(Terminate)さ
れ、電界効果トランジスタの駆動能力の劣化はない。
【0021】一方、ソースはイオン注入によって形成さ
れたFとBとの混在層とで構成されている。イオン注入
する場合、ゲートの下面の垂線からの傾きは傾き角(t
ilt angle)と呼ばれているが、傾き角は15
〜60度の間で選択される。次に、第1実施形態の電界
効果トランジスタの製造工程を以下に簡単に記述する。
【0022】図3は本願発明の電界効果トランジスタの
製造工程図である。第1に、図3aのように、単結晶S
i製のn型半導体層1上に温度850〜900℃で熱酸
化して厚さ100〜200Åのゲート絶縁膜2を形成
し、さらにCVDによりノンドープの多結晶Si製の多
結晶層をゲート絶縁膜2上に堆積した後、多結晶層をパ
ターニングして島状の厚さ400nmの多結晶層3を形
成してから、加速電圧10〜30keV、ドーズ量1×
1013〜1×1014cm-2でホウ素(B)をn型半導体
層1に垂直にイオン注入する。
【0023】すると、図3bに示すように、ゲート絶縁
膜2上の多結晶層3の表面にB濃度の高いp+層4が、
また、ゲート絶縁膜2下で多結晶層の左右に分かれてn
型半導体層1の表面にp+層4が形成される。次に、図
3cに図示するように、加速電圧40keV、注入量1
×1014cm -2でフッ素(F)を添加物としてn型半導
体層1に斜めに注入する。
【0024】そのようにすると、図3dのように、ゲー
ト絶縁膜2上の多結晶層3の左右の端部の添加物(F)
の量が多くなって高抵抗層12が形成される。また、ゲ
ート絶縁膜下のn型半導体層の表面は、Fの斜めイオン
注入により多結晶層3の左右だけでなく、一部がゲート
絶縁膜を挟んで多結晶層と重なる領域まで添加物が含ま
れた終端層13となる。
【0025】続いて、図3eのように、500℃以上で
熱処理して、添加物Fによりn型半導体層にあるダング
リングボンドを終端させる。同時に熱拡散により、p+
層中のBは半導体層内へ拡散し、ゲート絶縁膜上にp層
5が、また、ゲート絶縁膜下にp層6が形成される。次
に、図3fのように、全面にスパッタリングにより酸化
シリコンを堆積して堆積層14を形成する。
【0026】さらに、図3gのように、全面に堆積され
た堆積層をゲート絶縁膜2上の高抵抗層12の側面だけ
残すようにしてエッチングして、高抵抗層12の側面に
絶縁性の側壁7を作製する。側壁を作製した後、図3h
のように、n型半導体層1に垂直な方向から加速電圧3
0〜50keV、ドーズ量1×1015〜1×1016cm
-2でBF2をイオン注入する。
【0027】注入時、側壁はBF2の阻止壁として作用
するので、側壁下のp層の不純物(B)の濃度は増えな
い。一方、側壁の左右の層は大量の不純物(B)を含む
ことになるので、低抵抗になる。その後600℃以上熱
処理すると、図3iのように、電界効果トランジスタ
は、高不純物濃度のゲート11と、高不純物濃度のソー
ス9、添加物によりダングリングボンドが終端された低
不純物濃度の低濃度層8、添加物の多いn型の終端層1
3、n型の動作層、終端層13、低濃度層8、高不純物
濃度のドレイン10とが配置された構成となる。
【0028】本実施形態によれば、均一なゲート構成に
比べ、耐圧が10%向上する。このような電界効果トラ
ンジスタによれば以下の2つの作用が生じる。第1に、
Fの斜めイオン注入によって、ゲート電極両端下のゲー
ト絶縁膜にFを存在させることが可能になり、ゲート絶
縁膜中でB2O3の生成を妨げ、Bの貫通(Penet
ration)を促進させることができる。
【0029】その結果、ゲート電極両端のみのB濃度が
低くなり、ゲートドレインオーバーラップ容量を低下さ
せ、より高速なトランジスタを実現することができる。
寄生容量Cは、ゲートとソース、あるいはゲートとドレ
インとの重畳した部分の容量なので、当然、その絶縁距
離dが大きいほどC=εd/S(ただし、εは誘電率、
dは絶縁距離、Sは重畳した面積)の関係式により小さ
くなる。
【0030】寄生容量が小さくなると以下に示す関係式
により、例えばリングオシレータの遅延時間τが向上す
る。 τ=CV/I ただし、Cはリングオシレータの静電容量、Vはリング
オシレータへの印加電圧、Iはリングオシレータの電流
である。
【0031】この場合、Bの貫通により閾値電圧の変化
が懸念されるが、これは、ゲート両端のBがLDDとし
て形成されるだけなので、影響はほとんどない。第2
に、FによってSi−SiO2界面のダングリングボン
ドが終端され、界面準位が減る。電界効果トランジスタ
の特性劣化要因として、ホットキャリア現象による電流
駆動能力劣化がある。
【0032】ホットキャリア現象は、ドレイン近傍でキ
ャリアがインパクトイオン化を起こし、ホットキャリア
がゲート絶縁膜に注入される際に、Si−SiO2界面
の界面準位を生成させる現象である。本発明では、ダン
グリングボンドがFまたはClで終端されて、それぞれ
Si−F(結合エネルギー:553kJ/mol)、S
i−Cl(結合エネルギー:358kJ/mol)とな
っており、Si−H(結合エネルギー:299kJ/m
ol)またはSi−Si(結合エネルギー:327kJ
/mol)よりも結合エネルギーが高く、界面準位が生
成されにくい。
【0033】上記の数値から予想されるように、FがC
lより望ましい添加物となる。 (第2実施形態)図4は別な工程を含む本発明の電界効
果トランジスタの製造工程図である。但し、第1実施形
態と同様の個所には同じ符号を用い、その詳細な説明を
省略する。
【0034】図に従って説明すると、図4aに示すよう
に、ゲート絶縁膜2を表面に形成したn型半導体層1上
に島状にノンドープの多結晶層3を堆積してから、n型
半導体層1に垂直に10keV、1×1013cm-2でB
をイオン注入する。不純物のBをイオン注入すると、図
4bに示すように、多結晶層3の表面にBを多く含むp
+層4、また、n型半導体層1の表面にもp+層4が形
成される。
【0035】次に、図4cに示すように添加物のFを2
0keV、4×1013cm-2の条件でn型半導体層1に
対して斜めの方向からイオン注入する。すると、図4d
に示すように、多結晶層3の両方の下端部にFを多く含
み、抵抗の高い高抵抗層12が形成される。同時に、ゲ
ート絶縁膜2の下に、多結晶層の左右だけでなく、ゲー
ト絶縁膜を挟んで多結晶層と重畳する部分までFが侵入
して終端層13を形成する。
【0036】さらに、図4eに示すように、一旦、60
0℃の非酸素雰囲気中で熱処理後、続いて1000℃の
酸素雰囲気中で熱酸化すると、最初の熱処理でゲート絶
縁膜の上下で不純物と添加物との活性化が、また、後の
熱処理で多結晶Siの酸化が進行する。そのようにし
て、ゲート絶縁膜下にp層6と終端層13、また、ゲー
ト絶縁膜上に厚さの薄くなったp層5、高抵抗層12及
びその周囲を覆う熱酸化膜15が形成される。
【0037】次に、図4fに図示するように、厚さ10
00nmの側壁7は、ゲート絶縁膜上のp層5の上面の
熱酸化膜だけをエッチングして作製する。さらに、形成
された側壁を利用して、図4gに示すように、n半導体
層1に垂直な方向からBF2を加速電圧40keV、ド
ーズ量7×1015cmー2で注入する。
【0038】すると、図4hに示すように、ゲート端部
での電界集中とLDD部分での界面準位の少ない電界効
果トランジスタが形成される。本実施形態によれば、側
壁の位置が自己整合的に形成される。 (第3実施形態)前述の実施形態はノンドープの多結晶
層を用いていたが、ゲート絶縁膜上の層は製造時にドー
プされた層であっても良い。
【0039】図5はドープされた層を用いる電界効果ト
ランジスタの製造工程図である。尚、第2実施形態と同
様、第1実施形態と同様な個所には同じ符号を用いる。
図5aに示すように、ゲート絶縁膜2が形成されたn型
半導体層層1上に、1×1020cm-3の不純物(B)を
含むa−Si(アモルファスシリコン)、または多結晶
Si製の低抵抗半導体層を形成し、レジスト16により
パターニングして島状の低抵抗半導体層17を形成して
から、n型半導体層1に垂直に加速電圧30keV、ド
ーズ量1×1014cm-2の条件でホウ素(B)をイオン
注入する。
【0040】すると、図5bに示すように、レジスト1
6で覆われたp+層の左右のゲート絶縁膜2下のn型半
導体層1の表面に薄いp+層4が形成される。続いて、
図5cに示すように、n型半導体層1に斜めな方向から
添加物のFイオンを加速電圧30keV、ドーズ量1×
1014cm-2の条件でイオン注入する。
【0041】添加物のイオン注入後、図5dに示す如
く、ゲート絶縁膜2上の低抵抗半導体層17の下端部に
高抵抗層12が、また、ゲート絶縁膜下に終端層13が
形成される。次に、図5eに図示するように、レジスト
16下のa−Si、または多結晶Si製の低抵抗半導体
層17を次の拡散による拡散距離に応じてサイドエッチ
ングする。
【0042】続いて、図5fに示すように、レジストを
剥離してから、温度700℃、時間1時間で熱拡散して
ゲート絶縁膜下にp層6を形成する。さらに、図5gに
示すように、全面にn型半導体層1に垂直な方向からB
F2を加速電圧50keV、ドーズ量1×1016cm-2
の条件でイオン注入する。すると、図5hに示すよう
に、ゲート絶縁膜2上に下端部にFの多い高抵抗層12
を持つゲート11と、ゲート絶縁膜下にp+型のソース
9、n型の終端層13、n型の動作層、n型の終端層1
3、p+型のドレイン10からなる電界効果トランジス
タが構成される。
【0043】本実施形態によれば、ゲートとなる部分に
イオン注入は1回で済むことになる。上の実施形態は、
n型半導体層上に形成された電界効果トランジスタにつ
いてのものであるが、n型半導体層の下地は半導体ウェ
ハに限定されるものではなく、石英基板やサファイヤ基
板などのように絶縁基板であっても良い。
【0044】本発明の電界効果トランジスタは、ゲート
下端部が高抵抗なために、ゲート端部での電界集中が少
なく、ゲート電圧に対するドレイン電流の経時変化が小
さくなって、駆動能力の長寿命化ができる。また、ゲー
ト断面における高抵抗な部分が動作層側で長く、ゲート
表面側で短いため、ゲートの深さ方向に単に同一長で高
抵抗層を形成する場合に比べて、ゲート抵抗の低減が可
能になる。
【0045】
【発明の効果】本発明の電界効果トランジスタは、ゲー
ト端部での電界集中が少なく、高耐圧化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の不均一ゲートの電界効果トランジスタ
の断面図である。
【図2】本発明のFによる終端現象の作用図である。
【図3】本発明の堆積側壁不均一ゲートの電界効果トラ
ンジスタの製造工程図である。
【図4】本発明の酸化側壁不均一ゲートの電界効果トラ
ンジスタの製造工程図である。
【図5】本発明の初期含有不均一ゲートの電界効果トラ
ンジスタの製造工程図である。
【図6】従来の均一ゲートの電界効果トランジスタの製
造工程図である。
【符号の説明】
1 n型半導体層 2 ゲート絶縁膜 3 多結晶層 4 p+層 5 p層 6 p層 7 側壁 8 低濃度層 9 ソース 10 ドレイン 11 ゲート 12 高抵抗層 13 終端層 14 堆積層 15 熱酸化膜 16 レジスト 17 低抵抗半導体層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲートの下端部の添加物の濃度が高いこ
    とを特徴とする電界効果トランジスタ。
  2. 【請求項2】 ゲート中の前記添加物はハロゲン元素で
    あることを特徴とする請求項2記載の電界効果トランジ
    スタ。
  3. 【請求項3】 半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工
    程と、ゲート絶縁膜上に島状の多結晶層を形成する工程
    と、イオン注入により半導体層及び島状の多結晶層に不
    純物を注入して表面に不純物層を形成する工程と、斜め
    イオン注入により島状の多結晶層の下端部及び半導体層
    にFを注入して、それぞれ高抵抗層と終端層とを形成す
    る工程と、イオン注入によりゲート絶縁膜上の島状の多
    結晶層と半導体層表面の不純物層に不純物を注入する工
    程とを備えることを特徴とする電界効果トランジスタの
    製造方法。
  4. 【請求項4】 半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工
    程と、ゲート絶縁膜上に島状の多結晶層を形成する工程
    と、イオン注入により半導体層に不純物を注入して表面
    に不純物層を形成する工程と、斜めイオン注入により島
    状の多結晶層の下端部及び半導体層にFを注入して、そ
    れぞれ高抵抗層と終端層とを形成する工程とを備えるこ
    とを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
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JP2001177092A (ja) * 1999-12-14 2001-06-29 Asahi Kasei Microsystems Kk 半導体装置の製造方法
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