JPH11191558A - 半導体装置およびその製造方法および半導体装置を用いたシステム - Google Patents

半導体装置およびその製造方法および半導体装置を用いたシステム

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JPH11191558A
JPH11191558A JP35926897A JP35926897A JPH11191558A JP H11191558 A JPH11191558 A JP H11191558A JP 35926897 A JP35926897 A JP 35926897A JP 35926897 A JP35926897 A JP 35926897A JP H11191558 A JPH11191558 A JP H11191558A
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JP
Japan
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semiconductor
region
conductivity type
base
semiconductor device
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JP35926897A
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English (en)
Inventor
Eiji Oue
栄司 大植
Katsuyoshi Washio
勝由 鷲尾
Yukihiro Kiyota
幸弘 清田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】低消費電力で高速に動作するバイポーラトラン
ジスタを得ること、それにより大容量の信号を超高速で
送受信するシステムを可能とする。 【解決手段】ベース領域112が、p型多結晶シリコン
114の外周端から始まり真性ベースまで一定傾斜で深
くなるグラフトベースを形成することで、ベース抵抗を
増加させずに、ベース・コレクタ容量を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超高速バイポーラ型
半導体装置,半導体集積回路装置,光伝送システム装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】図2に従来のバイポーラトランジスタの
断面図を示す。図2において、101はp型シリコン基
板、102はn+型埋込層、103はn−型シリコンエ
ピタキシャル成長層、104はLOCOS酸化膜、10
5はU型素子間分離シリコン酸化膜、106,110,
115,118はシリコン酸化膜、107はp+型ベー
ス電極用多結晶シリコン、108はn+型リン拡散層、
109はn+型コレクタ電極用多結晶シリコン、112
はシリコン真性ベース層、113はグラフトベース、1
14はp型多結晶シリコン、115は単結晶シリコンエ
ミッタ、116はn+型エミッタ電極用多結晶シリコ
ン、117はエミッタ、119はエミッタ電極、120
はベース電極、121はコレクタ電極である。図2の従
来例は特開平4−113627 号に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】図2の従来技術では、
真性ベース112とベース多結晶シリコン電極107と
の接続を多結晶シリコン114を介して低濃度コレクタ
領域103に拡散し、グラフトベース113を形成す
る。その後、真性ベース117を形成する。このため、
グラフトベース113は多結晶シリコン114直下の垂
直下方に拡散する部分とその周辺の円筒及び球状に拡散
する部分に分かれ、ベース抵抗を下げるためには、グラ
フトベース113を深くする必要があり、これはコレク
タ・ベース容量を増加させる要因になる。
【0004】
【課題を解決するための手段】ベース電流は高濃度のベ
ース多結晶シリコン電極からより低濃度のグラフトベー
スに流れる場合、ベース多結晶シリコン電極の先端によ
り多くの電流が流れ、グラフトベースにおいては、p型
多結晶シリコンの外周端より真性ベースに向かい拡散し
て電流は流れる。このため、従来のグラフトベース構造
でのp型多結晶シリコンの外周端より周辺部分は必要な
く、また、グラフトベースの外周での深い拡散領域は不
要である。
【0005】本発明では、p型多結晶シリコンまたはp
型単結晶シリコンの外周端から始まり真性ベースまで一
定傾斜の領域をもつグラフトベースを形成し、ベース抵
抗を減少することなく、ベース・コレクタ容量を低減す
る。
【0006】
【発明の実施の形態】図1に本発明の第1の実施例の断
面図を示す。図1において、101はp型シリコン基
板、102は高濃度コレクタ埋込層、103は低濃度コ
レクタ層、104,105,106,110,118はシリ
コン酸化膜、114は第1多結晶半導体グラフトベー
ス、111はシリコン窒化膜、107はベース多結晶シ
リコン電極、112は単結晶半導体ベース層、116は
エミッタ多結晶シリコン電極、117はエミッタ領域であ
る。
【0007】図3から図4に本発明の第1の実施例の製
造方法を示す。高濃度n型コレクタ埋込層102はシリ
コン基盤101上に熱拡散により形なした後、シリコン
エピタキシャル成長により低濃度n型コレクタ層103
を形成する。
【0008】全面を熱酸化し20nmのシリコン酸化膜
を形成し、200nmのシリコン窒化膜を堆積し、真性
領域形成予定箇所以外をドライエッチにより除去する。
その後、熱酸化を行い、300nmのLOCOS酸化膜
104を形成する。平面上で高濃度n型コレクタ埋込層
を囲むように、LOCOS酸化膜104とシリコン基板
101に深さ3μmの溝を形成し、シリコン酸化膜10
5を埋め込む。
【0009】20nmのシリコン酸化膜106と200
nmのp型多結晶シリコン膜107を堆積し、ベース多
結晶シリコン電極パターンに加工する。その上にシリコ
ン酸化膜30nmを堆積し、シリコン酸化膜106,シ
リコン酸化膜104を共にドライエッチングにより開孔
し、n型不純物をイオン注入し、n型層108を形成す
る。その後、コレクタ多結晶シリコン電極109を形成
する。その上に300nmのシリコン酸化膜110を積
層する。
【0010】トランジスタの真性領域を定めるレジスト
膜をマスクとして、シリコン酸化膜110,ベース多結
晶シリコン電極107のエッチングを行う。その後、シ
リコン窒化膜111を30nm堆積後、ドライエッチン
グによりサイドウォールを形成する(図3(a))。
【0011】シリコン酸化膜106をウェットエッチン
グにより100nmサイドエッチする。その後、気相拡
散法によりボロンを低濃度コレクタ領域103に拡散し
ベース領域112を形成する。このとき、シリコン酸化
膜106のサイドエッチによりベース多結晶シリコン電
極107およびシリコン窒化膜111と低濃度コレクタ
領域103との間には高さ20nm,奥行き100nm
nの空洞が形成されており、この空洞部の底面の低濃度
コレクタ領域に拡散されるボロン濃度は空洞の外から奧
にかけて一定の割合で減少する。また、空洞部以外の低
濃度コレクタ領域は均一な深さのベース層が形成される
(図3(b))。
【0012】多結晶シリコン114を15nm堆積し、
ウェットエッチにより15nm除去し、上記空洞内に多
結晶シリコン114を埋め込む。その後、シリコン酸化
膜100nmを堆積し、ドライエッチングによりサイド
ウォール115を形成する。このシリコン酸化膜のサイ
ドウォール115はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の
2層のサイドウォールでも可能である(図4(a))。
【0013】全面に高濃度のn型多結晶シリコンを堆積
し、エミッタ領域周辺部を覆うパターンのレジストマス
クを用いてエッチングし、多結晶シリコンエミッタ電極
116を形成する。次に、900℃,30秒程度の熱処理
を行い、多結晶シリコンエミッタ電極よりn型不純物を
ベース層112表面に拡散し、エミッタ領域117を形
成する。
【0014】シリコン酸化膜118を堆積し、エミッ
タ,ベース,コレクタの各多結晶シリコン電極上のシリ
コン酸化膜118をドライエッチングにより開孔し、タ
ングステンによりエミッタ電極119,ベース電極12
0,コレクタ電極121を形成する。以上の製造方法に
より図1に示す構造になる(図4(b))。
【0015】図6(b)に本発明の第2の実施例の断面
図を示す。図5から図6に本発明の第2の実施例の製造
方法を示す。
【0016】高濃度n型コレクタ埋込層102はシリコ
ン基盤101上に熱拡散により形なした後、シリコンエ
ピタキシャル成長により低濃度n型コレクタ層103を
形成する。
【0017】全面を熱酸化し20nmのシリコン酸化膜
を形成し、200nmのシリコン窒化膜を堆積し、真性
領域形成予定箇所以外をドライエッチにより除去する。
その後、熱酸化を行い、300nmのLOCOS酸化膜
104を形成する。平面上で高濃度n型コレクタ埋込層
を囲むように、LOCOS酸化膜104とシリコン基板
101に深さ3μmの溝を形成し、シリコン酸化膜10
5を埋め込む。
【0018】20nmのシリコン酸化膜106と200
nmのp型多結晶シリコン膜107を堆積し、ベース多
結晶シリコン電極パターンに加工する。その上にシリコ
ン酸化膜30nmを堆積し、シリコン酸化膜106,シ
リコン酸化膜104を共にドライエッチングにより開孔
し、n型不純物をイオン注入し、n型層108を形成す
る。その後、コレクタ多結晶シリコン電極109を形成
する。その上に300nmのシリコン酸化膜110を積
層する。
【0019】トランジスタの真性領域を定めるレジスト
膜をマスクとして、シリコン酸化膜110,ベース多結
晶シリコン電極107のエッチングを行う。その後、シ
リコン窒化膜111を30nm堆積後、ドライエッチン
グによりサイドウォールを形成する(図5(a))。
【0020】シリコン酸化膜106をウェットエッチン
グにより100nmサイドエッチする。その後、気相拡
散法によりボロンを低濃度コレクタ領域103に拡散し
ベース領域112を形成する。このとき、シリコン酸化
膜106のサイドエッチによりベース多結晶シリコン電
極107およびシリコン窒化膜111と低濃度コレクタ
領域103との間には高さ20nm,奥行き100nm
nの空洞が形成されており、この空洞部の底面の低濃度
コレクタ領域に拡散されるボロン濃度は空洞の外から奧
にかけて一定の割合で減少する。また、空洞部以外の低
濃度コレクタ領域は均一な深さのベース層が形成される
(図5(b))。
【0021】選択単結晶シリコン201を15nm成長
する。このとき、上記空洞内のベース多結晶シリコン電
極107下面には選択多結晶シリコン202が同時に形
成され、空洞内において選択単結晶シリコン201と接
触する。その後、シリコン酸化膜100nmを堆積し、
ドライエッチングによりサイドウォール115を形成す
る。このシリコン酸化膜のサイドウォール115はシリ
コン酸化膜とシリコン窒化膜の2層のサイドウォールで
も可能である(図6(a))。
【0022】全面に高濃度のn型多結晶シリコンを堆積
し、エミッタ領域周辺部を覆うパターンのレジストマス
クを用いてエッチングし、多結晶シリコンエミッタ電極
116を形成する。次に、900℃,30秒程度の熱処理
を行い、多結晶シリコンエミッタ電極よりn型不純物を
ベース層112表面に拡散し、エミッタ領域117を形
成する。
【0023】シリコン酸化膜118を堆積し、エミッ
タ,ベース,コレクタの各多結晶シリコン電極上のシリ
コン酸化膜118をドライエッチングにより開孔し、タ
ングステンによりエミッタ電極119,ベース電極12
0,コレクタ電極121を形成する。以上の製造方法に
より図1に示す構造になる(図6(b))。
【0024】図7に本発明の第3の実施例の断面図を示
す。本実施例はシリコン基板203上にシリコン酸化膜
204,単結晶シリコン層206を有するSOI基板を
用いて、第1の実施例と同様な製造方法を使用する。こ
れより、コレクタ/基板容量は第1の実施例に比べて1
/2となる。
【0025】図8に本発明の第4の実施例の断面図を示
す。本実施例はシリコン基板203上にシリコン酸化膜
204,単結晶シリコン層206を有するSOI基板を
用いて、第2の実施例と同様な製造方法を使用する。こ
れより、コレクタ/基板容量は第2の実施例に比べて1
/2となる。
【0026】図9は本発明の第5の実施例を示す光伝送
システムの全治増幅回路図である。本実施例は前記実施
例に従って製造した半導体装置を回路上の増幅トランジ
スタ301,バッファ回路のトランジスタ302および
303に用いた例である。フォトダイオード306から
入力を増幅し、トランジスタ301,302,303と
抵抗304,305からなる増幅回路を経て、出力バッ
ファ307から出力を行う回路である。前記実施例に従
って製造した半導体装置を用いることで本回路は40G
hz以上の帯域を有する。
【0027】図10は本発明の第6の実施例を示すフロ
ントエンドモジュールであり、光受信モジュール中のフ
ォトダイオードと前置増幅器を含む。本実施例は前記実
施例に従って製造した半導体装置を、前記第5の実施例
の前置増幅回路に用い、この増幅回路を集積回路チップ
とし、フロントエンドモジュールに適用した例である。
光ファイバー401から入力した光信号はレンズ402
により集光されフォトダイオードIC403で電気信号
に変換される。電気信号は基板407上の配線405を
通して前置増幅器IC404で増幅され出力端子406
から出力される。
【0028】図11は本発明の第7の実施例を示す光伝
送システムの構成図である。本実施例は前記実施例に従
って製造した半導体装置を、データを超高速で送信する
光送信モジュール513、および受信する光受信モジュ
ール514の両伝送システムに適用した例である。
【0029】本実施例では前記実施例に従って製造した
半導体装置により送信側電気信号510を処理する多重
変換デジタル回路501、および半導体レーザ503を
駆動するための半導体レーザ駆動アナログ回路502か
らなる光送信モジュール513、更には送信された光信
号511をフォトダイオード504により変換した受信
側電気信号512を増幅する前置増幅器505、および
自動利得制御増幅器506,クロック抽出回路507,
識別回路508の各アナログ回路、およびデジタル回路
である分離変換回路509等で構成される光受信モジュ
ール514を構成する。ここで、フォトダイオード50
4,前置増幅器505は前記実施例に従って製造した半
導体装置は遮断周波数、および最大遮断周波数が100
Ghzと超高速で動作が可能なため、1秒当たり40Gビ
ットと大容量の信号を超高速で送受信することができ
る。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、ベース抵抗を増加させ
ずに、ベース・コレクタ容量を低減させることが可能で
ある。これにより、低消費電力で高速に動作するトラン
ジスタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例のバイポーラトランジス
タの断面図。
【図2】従来のバイポーラトランジスタの断面図。
【図3】本発明の第1の実施例のバイポーラトランジス
タの製造工程を示す断面図。
【図4】図3に続く製造工程を示す断面図。
【図5】本発明の第2の実施例のバイポーラトランジス
タの製造工程を示す断面図。
【図6】図5に続く製造工程を示す断面図。
【図7】本発明の第3の実施例のバイポーラトランジス
タの断面図。
【図8】本発明の第4の実施例のバイポーラトランジス
タの断面図。
【図9】本発明の第5の実施例の光伝送システムの前置
増幅器の回路図。
【図10】本発明の第6の実施例の光伝送システムのフ
ロントエンドモジュールの断面図。
【図11】本発明の第7の実施例の光伝送システムの構
成を示すブロック図。
【符号の説明】
101…シリコン基板、102…高濃度n型コレクタ領
域、103…低濃度n型コレクタ領域、104,10
5,106,110,115,118…シリコン酸化
膜、107…ベース多結晶シリコン電極、111…シリ
コン窒化膜、113…グラフトベース、114…多結晶
シリコンのグラフトベース、116…エミッタ多結晶シ
リコン電極、117…エミッタ領域、119…エミッタ
電極、120…ベース電極、121…コレクタ電極、2
01…単結晶シリコン層、202…多結晶シリコン層、
203…シリコン基板、204…シリコン酸化膜層、3
01,302,303…トランジスタ、304,305
…抵抗、306…フォトダイオード、307…出力バッ
ファ、401…光ファイバー、402…レンズ、403
…フォトダイオード、404…前置増幅器IC、405
…配線、406…出力端子、407…基板、408…パ
ッケージ、501…多重変換デジタル回路、502…半導
体レーザ駆動アナログ回路、503…半導体レーザ、5
04…フォトダイオード、505…前置増幅器、506
…自動利得制御増幅器、507…クロック抽出回路、5
08…識別回路、509…分離変換回路、510…送信
側電気信号、511…送信された光信号、512…受信
側電気信号、513…光送信モジュール、514…光受
信モジュール。

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の半導体基体と、上記半導体基
    体の1主面に形成された上記第1導電型と反対導電型の
    第2導電型の第1の半導体領域と、上記第1の半導体領
    域に形成された第1導電型の第2の半導体領域と、上記
    半導体基体の主面部上の第1の半導体領域以外に形成さ
    れた第1の絶縁膜と、上記第2の半導体領域を含まない
    上記第1の半導体領域上に形成された第1の多結晶半導
    体層と、上記第1の絶縁膜と上記第1の多結晶半導体層
    上に形成された第2の多結晶半導体層とを有し、上記第
    1の半導体領域が上記第1の多結晶半導体層と接する領
    域において一定の割合でその膜厚が増加することを特徴
    とする半導体装置。
  2. 【請求項2】上記半導体基体はバイポーラトランジスタ
    のコレクタ領域であり、上記第1の半導体領域はベース
    領域であり、上記第2の半導体領域はエミッタ領域であ
    ることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】第1導電型の半導体基体と、上記半導体基
    体の1主面に形成された上記第1導電型と反対導電型の
    第2導電型の第1の半導体領域と、上記第1の半導体領
    域上に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、上
    記第2の半導体領域に形成された第1導電型の第3の半
    導体領域と、上記半導体基体の主面部上の第1の半導体
    領域以外に形成された第1の絶縁膜と、上記第3の半導
    体領域を含まない上記第2の半導体領域上に形成された
    第1の多結晶半導体層と、上記第1の絶縁膜と上記第1
    の多結晶半導体層上に形成された第2の多結晶半導体層
    とを有し、上記第1の半導体領域が上記第1の多結晶半
    導体層と接する領域において一定の割合でその膜厚が増
    加することを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項4】上記半導体基体はバイポーラトランジスタ
    のコレクタ領域であり、上記第1および第2の半導体領
    域はベース領域であり、上記第3の半導体領域はエミッ
    タ領域であることを特徴とする請求項3記載の半導体装
    置。
  5. 【請求項5】上記第1の半導体領域は、上記第1の絶縁
    膜の開口部によりその底面形状が規定されたことを特徴
    とする請求項1記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】上記第1の半導体領域は、上記第1の絶縁
    膜の開口部によりその底面形状が規定されたことを特徴
    とする請求項3記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】上記第1導電型はn型であり、上記第2導
    電型はp型であり、上記半導体装置は上記半導体基体お
    よび上記第1の半導体領域および上記第2の半導体領域
    によりバイポーラトランジスタが構成されるようになし
    たことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  8. 【請求項8】上記第1導電型はn型であり、上記第2導
    電型はp型であり、上記半導体装置は上記半導体基体お
    よび上記第1の半導体領域および上記第2の半導体領域
    および上記第3の半導体領域によりバイポーラトランジ
    スタが構成されるようになしたことを特徴とする請求項
    3記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】半導体基板上に形成された第1導電型の半
    導体基体表面に、第1の絶縁膜を形成する第1の工程
    と、上記第1の絶縁膜上に上記第1導電型と反対導電型
    の第2導電型の第2の多結晶半導体層を形成する第2の
    工程と、上記第2の多結晶半導体層をエッチングするこ
    とにより第1の開口部を形成する第3の工程と、上記第
    1の開口部を通して、上記第1の絶縁膜をサイドエッチ
    し、第1の空洞を形成する第4の工程と、上記第1の開
    口部を通して、上記半導体基体表面に第2導電型の不純
    物を拡散し第2導電型の第1の半導体領域を形成する第
    5の工程と、上記第1の空洞に第1の多結晶半導体層を
    埋め込む第6の工程とを有することを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
  10. 【請求項10】半導体基板上に形成された第1導電型の
    半導体基体表面に、第1の絶縁膜を形成する第1の工程
    と、上記第1の絶縁膜上に上記第1導電型と反対導電型
    の第2導電型の第2の多結晶半導体層を形成する第2の
    工程と、上記第2の多結晶半導体層をエッチングするこ
    とにより第1の開口部を形成する第3の工程と、上記第
    1の開口部を通して、上記第1の絶縁膜をサイドエッチ
    し、第1の空洞を形成する第4の工程と、上記第1の開
    口部を通して、上記半導体基体表面に第2導電型の不純
    物を拡散し第2導電型の第1の半導体領域を形成する第
    5の工程と、上記第1の半導体領域上に選択的に第2導
    電型の第3の半導体領域を形成する第6の工程とを有す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項11】上記第1導電型の半導体領域はバイポー
    ラトランジスタのコレクタ領域であり、上記第5の工程
    により形成された第1の半導体領域はバイポーラトラン
    ジスタのベース領域を形成するものであり、上記第6の
    工程の後にバイポーラトランジスタのエミッタ領域を形
    成する工程をさらに有することを特徴とする請求項9記
    載の半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項12】上記第1導電型の半導体領域はバイポー
    ラトランジスタのコレクタ領域であり、上記第5の工程
    により形成された第1の半導体領域はバイポーラトラン
    ジスタのベース領域を形成するものであり、上記第6の
    工程の後にバイポーラトランジスタのエミッタ領域を形
    成する工程をさらに有することを特徴とする請求項10
    記載の半導体装置の製造方法。
  13. 【請求項13】光信号を受け電気信号を出力する受光素
    子と、受光素子からの電気信号を受ける第1の増幅回路
    と、上記第1の増幅回路の出力を受ける第2の増幅回路
    と、所定のクロック信号に同期して、上記第2の増幅回
    路の出力をディジタル信号に変換する識別器とを有する
    光受信システムであって、上記第1の増幅回路は、上記
    受光素子にそのベースが接続された第1のバイポーラト
    ランジスタと、上記第1のバイポーラトランジスタのコ
    レクタにそのベースが接続されそのコレクタが上記第2
    の増幅回路の入力に接続された第2のバイポーラトラン
    ジスタを有し、上記第1又は第2のバイポーラトランジ
    スタの少なくとも1つは、請求項1に記載された半導体
    装置により構成されたことを特徴とする光受信システ
    ム。
  14. 【請求項14】光信号を受け電気信号を出力する受光素
    子と、受光素子からの電気信号を受ける第1の増幅回路
    と、上記第1の増幅回路の出力を受ける第2の増幅回路
    と、所定のクロック信号に同期して、上記第2の増幅回
    路の出力をディジタル信号に変換する識別器とを有する
    光受信システムであって、上記第1の増幅回路は、上記
    受光素子にそのベースが接続された第1のバイポーラト
    ランジスタと、上記第1のバイポーラトランジスタのコ
    レクタにそのベースが接続されそのコレクタが上記第2
    の増幅回路の入力に接続された第2のバイポーラトラン
    ジスタを有し、上記第1又は第2のバイポーラトランジ
    スタの少なくとも1つは、請求項3に記載された半導体
    装置により構成されたことを特徴とする光受信システ
    ム。
  15. 【請求項15】上記第1又は第2のバイポーラトランジ
    スタのいずれもが、請求項1に記載された半導体装置に
    より構成されたことを特徴とする光受信システム。
  16. 【請求項16】上記第1又は第2のバイポーラトランジ
    スタのいずれもが、請求項3に記載された半導体装置に
    より構成されたことを特徴とする光受信システム。
  17. 【請求項17】上記第1及び第2のバイポーラトランジ
    スタは単一の半導体チップ上に形成され、上記受光素子
    と上記半導体チップとは単一の基板上に実装されたこと
    を特徴とする請求項13乃至16のいずれか記載の光受
    信システム。
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