JPS5887855A - Mos素子の製造方法 - Google Patents

Mos素子の製造方法

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JPS5887855A
JPS5887855A JP56179877A JP17987781A JPS5887855A JP S5887855 A JPS5887855 A JP S5887855A JP 56179877 A JP56179877 A JP 56179877A JP 17987781 A JP17987781 A JP 17987781A JP S5887855 A JPS5887855 A JP S5887855A
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voltage
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drain
pinch
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タダノリ・ヤマグチ
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

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】 本発明はMOS(金属酸化膜半導体)素子の製造方法、
特に高電圧MOS素子とN型MOS (N・MOS)素
子とを同一チップ上に集積可能な製造方法に関する。
最近、例えば、静電気を利用したプリンタ装置、固体表
示装置等の駆動回路として、高電圧MO3・IC(集積
回路)が重要視されてきている。高電圧MO3−ICの
製法としては、基本的に2種類ある。第1の方法は垂直
MOS構造を利用する場合であり、第2の方法は、ピン
チ抵抗体i有する水平MOS構造を利用する方法である
高電圧MO5φICは、しばしば論理回路と共に用いら
れるが、垂直構造を利用した高電圧MO3・ICと論理
回路を同一のチップ」二に集積する場合、垂直MOS構
造は、深い分離層を有するエピタキシャル層を必要とす
るので、ドレイン降伏電圧が往々にしてエピタキシャル
層及び分離層によって制限されるという問題があった。
このため、水平MOS構造を用いて高電圧MO3−IC
を製造する方法が提案されている。しかし、この製造方
法はかなり複雑であり、ドレイン降伏電圧が、衝突イオ
ン化電流と関連する表面電子なだれ降伏によってしばし
ば制限されるという問題があった。したがって、本発明
の目的は、」−述の従来例の問題を克服したMOS素子
の製造方法を提供するととである。
本発明の他の目的は、高電圧MOS素子とMO5論理回
路とを同一チップ上に集積化できるシリコン・ゲート拳
インプレーナ(1soplanar)処理技術を提供す
ることである。
本発明によれば、最大ドレイン電源及び最大オ層抵抗の
状1片、て約1000ホルトのド1/イン降伏電圧ハ・
イ11らfl、るJ:うに、回路構造及び処」111パ
ラメータを調整することができる。史に、本発明によれ
は、リセスド・グー1 (recessed −gat
e) D(double −diffusion 、 
l1lIら2手拡故) M OS構造によって、ソース
及びチャンネル9”1域間だけでなくチャンネル及びド
リフト層領域間、更にはポリシリコン・ゲート電極及υ
チャンネル領域間の自己整合(セルフアライメント)か
り能である。
以−ド、添伺の図面を参照して本発明の好適実施例を説
明する。第1図及び第2図は夫々本発明に係る製造力性
によるMO3素r−の・例の断面図及びIILlnj図
ffiアル。、i、:+、 電圧M OS J、(10
ft、ソース領域12、ドリフト層領域14、トレイン
領域16から成る水i17構造であり、ソース電極用金
屈11桑23はドリフト層領域14のに1″X14表面
に延ひている。ソース領域12は論理N・M OS ;
+;+7−18のフィールド領域に延ひ、論理N−MO
3素r18は従来のシリコン・ケート・エンハンス及び
デプレッションMO3回路から構成される。48゜50
は夫々図示のICの電源端子Vss及びVddであり、
42はケート端子として用いられる。高電圧MO3素了
1Oの製造には、醇化11り除去技術(recesse
d−ox ide−technology)を利用して
いるので、チャンネル領域(ケート)20は、ソース領
域12だけでなくドリフト層領域14とも自己整合され
、ドリフト層領域14は更にドレイン領域16と自己整
合される。高電圧MO3素子10では、ドレイン領域1
6はソース領域12によって周囲を完全に囲まれている
ので、高電圧MO3素子10は、第2図に示すように円
状或は競技トラック状の形状を示している。尚、本発明
のMOS・ICの詳細については第7図乃至第21図を
参照して後述する。
高電圧MO3素子10には、基本的に、4種類の動作領
域がある。第3図乃至第6図は、この4種類の動作領域
でのドレイン特性の概略を示している。先ず、ケート・
バイアス電圧は、チャンネルしきい値電圧よりも高いと
仮定する。第3図に示すように、トレイン電流■DSは
、ドレイン・バイアス′屯圧VDSの増加に比例して略
11’1線的に」−昇する。この場合、オン抵抗Ron
は次の(1)式で表される。
Ro、N= Rch−+ Rdo          
  (])ここで、Rchはチャンネル抵抗、Rdoは
トレイン電圧零におけるドレイン層抵抗である。11.
″1゛屯圧MO3素子lOが第2図に示した競1々川ト
ラック状の形状の場合、Rdoは次の(2)式でIJえ
られる。
ここで、qは電荷量、PJはドリフト IW.L(L. Rp及びWPは第1図及び第2図に示
した長さを示す。(2)式に於て、殿はドリフト14で
の全移動キャリア濃度を小す。今、ドリフト層領域14
は均一な不純物分布をイjし、1つドレイン電圧及び基
板電圧によって逆バイアスされていると仮定すると、N
,(は次の(3)式でり−えらここで、Ndoはドリフ
ト層のイオン密度、ε0は自由空間の誘電率、EsLは
シリコンの誘電率、VD5はドレインφバイアス電圧、
VSBは基板バイアス電圧である。更に、 ここで、XjcLはドリフト層の厚さである。ドレイで
求める。
ここで、EcM及びCは実験的に求めた定数、T□Xは
ゲート酸化膜の厚さ、ε08はシリコン酸化膜の誘電率
、%sはゲート・バイアス電圧、P5oは表面電子の最
大移動度である。
トレイン電圧v1)5が増大すると、ドリフト層(Pi
)に隣接したチャンネル領域20は第4図に示すように
ピンチ・オフされる。この第1ピンチ・オフ電圧VP4
は次の(6)式でりえられる。
■p1 =  VDSAT  + 工psi Rdt 
               (fi)ここで、Vl
)SATはチャンネル拳ピンチ・オフ電圧、Rdlは第
1ピンチ・オフ屯圧VPLでのドリフト層抵抗、rps
tはチャンネル・ピンチ・オフ電流である。IpSlは
次の(7)式でうえられる。
ここで、Lはチャンネル長、Wはチャンネル幅、Co、
itゲート絶縁静’lli:容量、V、ハ2φ、+φM
5 +Q”Nss / COX (φf、フェルミ/1
1イ)t、φ二、:イ1事関数の差、N’3S・シリコ
ン・インターフェイス電荷布上 2)、fft(2εoEs47N、8)2/9xである
ドレイン電圧が更に増加すると、ドレイン電圧の増加分
は第1ピンチ・オフ領域で低下し、チャンネル長が変化
すると共1こ第1ピンチ・オフ領域での表面電界が増加
する。チャンネル長変化によるドレイン電流増加分ΔI
DSは次の(8)式で表される。
ここで、ΔLはチャンネル長変化によるチャンネル縮小
長、Lは第1図及び第2図に示す最初のチャンネル長で
ある。ΔLは実験的に次の(9)式%式% ここで、Jはチャンネル・ピンチ・オフ点に隣接じたド
リフト層の端部での電圧を近似するために実験的に得た
定数である。(9)式のEl、E2、E3、は夫々次の
(10)、 (II)、 (12)式で表される。
ε0X Ez= o((−) − ここで、メ及びβは夫々実験的に求めた定数である。
第1ピンチ・オフ領域の表面電界が電子なだれ降伏の臨
界電界(α3X10V/cm)に達する前に、領域P2
がピンチ参オフすると、領域P□では表面電子なだれ降
伏は発生しない。第2ピンチΦオフ電圧(■P2)は、
ソース・フィールド・プレート及びドリフト層領域間の
電位分11jに影響を及ぼす2次元的効果によって決定
される。第2ピンチ・オフ電圧v、2を計算するために
は、2次元ポアソン方程式を解く必要がある。第5図に
示すように、領域P2嵐で第2ピンチ・オフが発生する
と、増加したドレイン電圧は第2ピンチ・オフ領域で降
下して第1ピンチ・オフ領域には印加されない。したが
って、チャンネル変化はこれ以上進展しない。その結果
、ドレイン電流は工、)5□で飽和する。工っ、□は次
の(13)式で与えられる。
ここで、ΔLVP2は第2ピンチΦオフ電圧(ドレイン
電圧)■、2でのチャンネル縮小長である。第2ピンチ
・オフ電圧v、2は次の(14)式で与えられる。
■P2 ” VT120+ ID5ZR誂2     
      (14)ここで、Vp20はゲート・バイ
アス電圧%5が零の場合の第2ピンチ・オフ電圧であり
、Rd2はドレイン電圧v、2に於るドリフト層の抵抗
を示す。
RdZを計算するためには、(2)式のドリフト層長−
をLt:L−Lsfで置換する必要がある。ところで、
上述の■p20は次の(15)式で与えられる。
ドレイン電圧が更に増加すると、第2ピンチ・オフ領域
の表面電界が電子なだれ降伏の臨界イlI′1に達する
以前に、ドレイン領域16に隣接したドリフト層の端部
(P3)はピンチのオフされる。したがって、表面電子
なだれ降伏は領域P2(第6図参照)では発生しない。
第3ピンチ・オフが領域P3で発生すると、第2ピンチ
・オフ領域の′電界はこれ以上増加しない。増加電圧分
は、第3ピンチ・オフ領域で降下する。この第3ピンチ
・オフ領域は、この領域での表面電界が電子なだれ降伏
の臨界値に達するまで、或は、バルク電r−なだれ降伏
が発生するまで、ドレイン電圧を随行する。
以下、第7図乃至第21図を参照して、本発明に係るM
O5素子の製造方法を説明する。先ず、ウェーハ基板と
して、表面配向(+00)のP型バルクシリコン22を
用意する。この基板の抵抗率は200 ohm−cm以
−トである。シリコン酸化物(5iO2)膜24をウニ
′−ハ」二に成長させた後、ナイトライド(5iJN、
)膜26及びシリコン酸化ll!1i28を化学蒸着(
CVD)により被覆する。ホトエツチング技術を用いて
、ナイトライド膜26及びシリコン酸化膜28にソース
領域12及びドリフト層領域14を形成し、ソース領域
12をホトレジスト30で被覆する。第7図の矢印で示
すように、リン・イオンをドリフト層領域14に打込む
。次に、ホトレジスト30を除去し、ソース領域12以
外の基板表面を他のホトレジスト32で被Yaし、第8
図の矢印で示すように、ソース領域12にひ素イオンを
打込む。次に、ホトレジスト32を除去し、第9図に示
すようにシリコン酸化膜28をエツチングした後、リン
及びひ素イオンを拡散する。次に、論理N−MO3素子
18の能動領域を、ホトエツチング技術を用いてナイト
ライド膜26に設ける。論理N −MOS >4:f−
18のフィールド領域36以外の2(板表面をホトレジ
スト34で覆い、第10図の矢印で示すように、フィー
ルド領域36にボロン・イオンを打込む。ボロン・イオ
ン打込み後、ホトレジスト 第11図に示すように、jI)いシリコン醇化膜24を
、ソース領域12、高電圧MOS素f’−10(7) 
ドリフト層領域14、論理N−MO3素子18のフィー
ルド領域36に選択的に成長させる。高電圧MO3素子
lOの領域では、チャンネル領域20はソース領域12
及びドリフ;・層領域14と自己整合し、更に、ドリフ
I・層領域14はドレイン領域16と自己整合している
次に、ナイトライドII!I# 26をエツチングによ
り除去し、ボロン・イオンを高電圧MO3素子10及び
論理N−MO3素子18のチャンネル領域20に打込む
。負荷MOSのしきい値電圧Vを制御するリン・イオン
を打込むためのマスクとしてホトレジスト40を設ける
(第13図)。リン◆イオン打込み後、ホトレジス!・
40を除去し、ポリシリコン層42を基板表面に設ける
。第14図に示すように、N+ひ素イオン打込みのため
に、ホトエツチング技術を用いてポリシリコン層42を
選択的に除去し、シリコン酸化膜層44を化学蒸着によ
って基板表面」−に設けてアニールする。エツチングに
よって電極部分を形成し、この電極部分にPOCl3を
ドーピングする。例えば、AI/Siの如き金属層を基
板表面に蒸着し、この金属層を選択的にエツチングし、
高電圧MO3素子10のソース電極用金属M 23及び
ドレイン電極46、論理N・MOS素子18のソース電
極48及びドレイン電極50を形成する。最後に、ウェ
ーハをアニールして、第1図に示す本発明に係るMO3
素子が得られる。尚、ポリシリコン層42はゲート電極
材料として用いられている。第12図乃至第14図の処
理ステップは従来のシリコン・ゲートMO3−LSIの
製法と同一である。
次に、本発明に係るMO3素子の製造方法の他の天施例
を、第15図乃至第21図を参照して説明する。ウエー
ハノ1(板は、最初に述へた実施例と同じくP型バルク
シリコン22である。先ず、P型バルクシリコン22の
表面を醇化してシリコン酸化膜24を形成し、ナイトラ
イドII<126及びシリコン酸化+1A 28を1段
ける。P井戸(well)ソース領域12(第1実施例
と異なリソース領域はP井戸であることに留、こされた
い)、ドリフト層領域14を、ホI・エツチング技術を
用い、シリコン酸化[128及びナイトライド膜26に
形成する。P井戸ソース領域12にボロン・イオンを打
込むために、P井戸ソース領域12以外の基板表面をホ
トレジスト オン打込み後、ホトレジスi・30を除去し、ドリフト
層にリン・イオン打込みを71うために、ホトレジス)
・30を2月戸ソース領域121−に設ける(第16図
)。次に、ホトレジスI・32を除去し、シリコン酸化
膜28をエツチングした後、酸化膜を成長させ、P井戸
ソース領域12及びドリフ[・層領域14に不純物イオ
ンを拡散させる。P井戸ソース領域12にひ素イオンの
打込みを行うだめのマスクとして、ホトレジスト34を
設ける(第17図)。ひ素イオン打込み後、ホトレジス
ト34を除去し、シリコン酸化膜24を、P井戸ソース
領域12及びドリフト層領域14に選択的に成長させる
(第18図)。ホトレジスト37を基板表面上に設け、
論理N−MOS素子18のフィールド領域36にボロン
・イオンを打込む(第19図)。次に、ホトレジスト3
7を除去し、シリコン酸化膜24をフィールド領域36
に選択的に成長させる(第20図)。尚、第20図はP
井戸領域を設けた以外は第11図と同一である。これに
続く処理ステップは、第12図乃至第14図について説
明した第1実施例と同一である。第21図は完成したM
OS・ICの模型的断面図であり、第21図は、ソース
領域を除いては、第1図と略同−である。
以上説明したように、本発明に係る製造方法によれば、
同一チップ上に高電圧MOS素子lO及び論理N−MO
S素子18を効果的に集積することが出来る。−L述の
製法において、ゲート酸化1模及びフィールド酸化1模
の厚さとしては、例えば、夫h 105oA (オング
ストローム)及び1.2pmが適当な(+fiである。
ゲートしきい自白型j1を1.0ポルトに調節するため
には、ボロン・イオンを、例え1−2 ば、40Kevc7)エネルギーでイオン密1i3Xl
Ocmとなるように、チャンネル領域に打込めばよい。
更に、ドレインN接合の厚さは、例えば1.5pmが適
当である。
次に、第22図凸金第24図を参jilj、して高電圧
MOS素子10の電気的特性を説明する。オン抵抗は、
ドリフト層長−とイオン密瓜阻の関数である。第22図
は、ドリフi・層長−をパラメータとし、ケート・バイ
アス電圧v65どオン抵抗R。1.Lの関係を示す図(
但し、L = 1 6pm 、%−I X 1 0”c
めである。第22図に示すように、ゲート・バイアス電
圧■qsが増加するとオン抵抗R。、Lは低下して略一
定価となる。これは、ゲーI・・バイアス電圧vG5が
増加すると、ドリフト層の抵抗が非常に高くなるためで
ある。第23図は、チャンネル長りをパラメータとし、
第1ピンチ・オフ電圧に於る正規化飽和ドレイン電流1
1)51とゲート・バイアス電圧VGsの関係を示す図
(但し、L,−1007zm 、 %= I X 10
20m”)である。正規化飽和ドレイン電流IDSiは
、ドリフト層長及びイオン密度とは無関係であり、チャ
ンネル長のみによって定まる。第24図A及びBは、夫
々ドリフト層長、チャンネル長をパラメータとしたゲー
ト・バイアス電圧V,sと第1ピンチ・オフ電圧VPi
の関係を示す図である。第24図A及びBに示すように
、夫々ドリフト層り及びチャンネル層が長くなるに従っ
て、第1ピンチ・オフ電圧が増大する。
以1−の説明から判るように、本発明によれば、バルク
シリコンを出発物質としたシリコン・ケート・インプレ
ーナ処理技術を用いて、高電圧MOS素子及び論理N−
MOC素子を同一チップ上に集積することが出来る。更
に、本発明に係る高Tit圧R (Recessed 
) D (Double diffusion ) e
 MOSは、ソース、チャンネル、ゲート及びドリフト
層領域間のセルファライメンが可能という特徴を有する
以し、本発明の好適実施例を説明したが、)11業者は
本実施例に基づいて変形変更を行うことは容易である。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は夫々本発明に係るMO3素子の断面
図及び平面図、第3図乃全εB 6図は本発明に係るM
O3素子を説明するための部分断面図及び図表、第7図
乃至第21図は本発明に係るMO3素子の製造方法を説
明するための断面図、第22図乃至第24図は本発明に
係るMO3素子の電気的特性を示す図表である。 lO高電圧MO3素子 12 ソース領域 14 ドリフト層領域 16 ドレイン領域 18 論理N・MO3素子 20 チャンネル領域 22 バルクシリコン基板 23 ンース電極用金屈膜 276− 三兵糸先ネ甫IF書 (自発) 昭和57年5月24日 特許庁長官 島 1)春 樹 殿 MO3素子の製造方法 3、l#正をする者 事件との関係 特許出願人 住所 アメリカ合衆国オレゴン州9707?ビーバート
ンテクトロニクス牽インダストリアル−パーク、サウス
ウエス[・、カールブラウン−1’ライブ14150名
称 テクトロニクス・インコーホレイテッド代表者 ア
ール・アラン・リーデイ・ジュニア国籍 アメリカ合衆
国 4、代理人 〒104 (電話)03−543−460
7明細書の発明の詳細な説明の欄 6、補正の内容  別紙のとおり 明細書の発明の詳細な説明の欄を以ドのように補正する
。 第1頁第一11行〜第12行: [高電圧901.集積可能な]を、「各領域間を自己整
合するMO3素rの」に女史する。 筋ヱー巨見1)爾: 「ある。」の次に、改行して、「本発明の目的は、ソー
ス、チャンネル、ゲート及びドリフト層領域間を自己整
合するMO3素子の製造方法を提供することである。」
を加入する。 址士玖箪漣街: r(recessed−gate) Jを、r (re
cessed−gate。 即ちシリコン基板の奥に入り込んだゲート)」に変更す
る。 鮭】l蒸上J用: rN−MO3Jを、rN7Q4Mo S (N −MO
S)Jに変更する。 [酸化、 、 、−technology)  Jを、
[リセスド・ゲート2重拡散構造]に変更する。 第6頁呈互M: 「電圧である。」を、「電圧、l’lsaはシリコン基
板の不純物濃度である。」に変更する。 第6頁最刊: 「度である。」を、「度、■丁Hはゲートのしきい値電
圧である。」に変更する。 第7頁第6行: 「電圧」を、「電圧(ゲート電圧により誘起されたシリ
コン表面電子層がドレイン電圧によって逆方向にバイア
スされて、ピンチオフするときの電圧)」に変更する。 第7頁第9行: 「る。よりSIJを、「る。即ち第1ピンチオフ電圧v
P1はチャンネルピンチオフ電圧’DSA□にドリフト
層の抵抗による電圧降下を加えたものになる。 ■D5工」に変更する。 第7頁下から第3行〜第2行: 「仕事関数の差Jを、「ゲート!極材料のフェルミレベ
ル 差」に変更する。 $9頁第7行〜第8行: 「定数である。」を、[定数、NSSはシリコン及び酸
化シリコンの境界(interface)に存在する電
荷の濃度である。」 表V1頁第5行: 「ドレイン」の前tこ、[ここで、TFはドリフト領域
のソース・フィールド・プレートとの間に存在するシリ
コン酸化膜の厚さである。」を加入する。 以−1− 特許出願人 テクトロニクス拳インコーポレイテッド代理人 弁理士
 森崎 俊明

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. リセスド・ゲート2重拡散構造を用いてソース、チャン
    ネル、ゲート及びドリフト層領域間を自己整合したこと
    を特徴とするMOS素子の製造方法。
JP56179877A 1981-11-11 1981-11-11 Mos素子の製造方法 Pending JPS5887855A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6442862A (en) * 1987-08-11 1989-02-15 Seiko Epson Corp Manufacture of high-withstand voltage mos semiconductor device
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