JPS6211271A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6211271A
JPS6211271A JP61167923A JP16792386A JPS6211271A JP S6211271 A JPS6211271 A JP S6211271A JP 61167923 A JP61167923 A JP 61167923A JP 16792386 A JP16792386 A JP 16792386A JP S6211271 A JPS6211271 A JP S6211271A
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徹 中村
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今泉 市郎
Takahiro Okabe
岡部 隆博
Minoru Nagata
永田 穣
Masao Kawamura
川村 雅雄
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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、半導体装置の構造に関するものである。本発
明の装置構造は従来構造と比較して、より微細となり、
また高速動作を行なうのにより適したものである。
〔従来の技術〕
第1図に断面構造を示した半導体装置は、半導体集積回
路(IC,LSI)に用いられている従来のバイポーラ
・トランジスタである。
従来のトランジスタの構造は、npnトランジスタを例
にとれば、p型Si基板11上に設けられたn型Siエ
ピタキシャル存13内にp型ベース領域14を形成し、
さらにベース領域14内にn型エミッタ領域15を形成
することによって得られる。なお、図中で、12および
12′はn゛型埋込み層およびコレクタ電極取り出しn
°型拡散領域であり、16は隣接素子との分離用p型領
域である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この様に従来の素子構造では、トランジスタの活性領域
、非活性領域を全てpn接合によって分離されているた
め、主に次の様な欠点がある。
■ ベース領域中の非活性領域とコレクタ領域との容量
が大きいため、消費電力が大きく、高速動作に不向きで
ある。
■ ベース領域14、エミッタ領域15、n′″型拡散
領域12′、分離領域16が、独立した光学的エツチン
グ工程によって形成されるため、互のホトマスクの合わ
せ精度による余裕を考えて設計しなければならない。そ
のため、素子面積が大きくなる。
上記■、■において、特に■の容量の問題は重要である
すなわち、集積回路デバイスの性能を表わす際の基本的
な目安である速度と消費電力とは、使用するトランジス
タの電流値と、この電流で充放電する必要がある寄生素
子をも含めた素子の静電容量とにより決定される。所定
の電流値に対して、トランジスタを動作させるのに必要
が電力の値は、この容量値に比例するので、容量値が小
さければ小さいほどよい。また所定の内部抵抗に対して
、トランジスタのRC時定数はこの容量に比例するので
、トランジスタの動作速度を高めるには、容量値の低減
を図らねばならない。
本発明は、従来の半導体装置の上述の欠点を改善し、消
費電力が小さく、高速で、素子面積の小さなパイポーラ
トランンジスタ等の半導体装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段と作用〕本発明の他の目
的は、半導体装置の活性領域外を酸化膜で分離して寄生
容量を減少させ、さらに耐圧の高い半導体装置を提供す
ることにある。
〔実施例〕
以下1本発明を実施例を参照して詳細に説明する。
実施例1 第2図に、本発明の半導体装置の第1の実施例の断面構
造を示す。
第1の実施例で示す本発明のバイポーラ型トランジスタ
は、多結晶シリコン層28を用いることにより、非活性
ベース領域を絶縁膜27上に形成し、上記■の従来装置
の欠点を無くし、またベース・エミッタ領域を自己整合
法により形成し、上記■の従来装置の欠点を無くしてい
る。本発明による素子は、トランジスタの活性領域を凸
型にすることによって高速化、微細化を可能にしている
なお、図の構造をnpnトランジスタとすれば21.2
2.22’、23.26はそれぞれp型Si基板、n゛
型埋込層、n°型高濃度領域、n型エピタキシャル層(
以上22.22’、23でコレクタ領域)、p型分離領
域であり、24,25゜27.28,29.20は、そ
れぞれp型ベース領域、n型エミッタ領域、酸化膜(S
i02膜等)、多結晶Siによるp型外部ベース領域、
層間絶縁膜(SiO□膜等)、電極である。
第3図は、本実施例による半導体装置の製造工程を示し
たもので、第2図の断面構造になる以前を示しである。
以下製造過程を図番にたがって説明する。第3図(a)
:p型Si基板31上にn゛型埋込層拡散32を行いn
型Siエピタ、キシャル層33を成長し、p型分離領域
36を形成し、全面にシリコン酸化膜以外の絶縁膜、た
とえばシリコンちっ化膜(Si2N4)を堆積し、エツ
チングしてトランジスタの活性部分のみシリコンちっ化
膜301を残す。さらに301をマスクとしてシリコン
エピタキシャル層をエツチングして、活性部分が凸型と
なる様にする。このとき、エツチングにより、マスク3
01の端部より内側にシリコン層が入り込む様にする。
その後、熱酸化により、酸小膜37を形成し、さらに金
属等302を蒸着する。このとき、マスク301の下部
に形成されていた酸化膜には金属302に覆われない様
にする。
第3図(b):°エツチングによりマスク301の下部
で302に覆われていない部分の酸化膜を除去し、さら
にマスク301を除去し全面に多結晶シリコン層を形成
し、p型不純物を拡散し、パターンニングして外部ベー
ス領域38をさくる。
この時点で、エピタキシャル層の凸部の側面のみが多結
晶シリコン層と接している。なお、全面に多結晶層を堆
積するかわりに1選択エピタキシャル法によりシリコン
層38を形成することも可能であり、この場合にはシリ
コン層のパターンニングが不必要となる。次に層間絶縁
膜としてSiO□膜39を堆積する。
第3図(C):活性領域上のちつ化膜301゜多結晶シ
リコン38.酸化膜39をリフトオフ法により除去し、
p型不純物を拡散して内部ベース領域34を形成する。
次に熱酸化を行い、外部ベース領域34′を酸化する。
第3図(d):n型エミッタ領域35を形成する。
その後コレクタ領域、ベース領域のコンタクト穴を開け
、電極を蒸着することにより、第2図に示した素子が形
成できる。
実施例2 第4図は、本発明、による装置構造を、集積注入論理回
路(IIL回路)に応用した実施例である。
図に示した様にIIL回路は、第2図で、エピタキシャ
ル層23をエミッタ、25をコレクタとすれば容易に構
成できる。
なお、図中で41はp型Si基板、42はn型埋込層、
43はn型エピタキシャル層、44はp型領域、45は
n型領域、47は酸化膜、48は多結晶シリコン層(p
型)、49は層間絶縁膜、40は電極、■はインジェク
タ端子、Bはベース端子、C0,C2はコレクタ端子で
ある。
実施例3 第5図は、本発明による装置構造を実現するための、他
の製造方法を示したものである。以下製造方法を示す。
第5図(a):’p型Si基板51上にn3型埋込層5
2を構け、n型Siエピタキシャル層53を成長し、ま
たp型分離領域56を形成する。エピタキシャル層上に
、シリコン酸化層501.シリコンちっ化膜502、低
抵抗多結晶シリコン層(p型でもn型でも可であるが、
ここでは高濃度のリン原子が含まれているものとする)
503、高濃度ガラス層(ここではリンガラスとする)
504を堆積し、ホト・エツチングにより図の様にパタ
ーンニングし、さらにこの多層膜をマスクとしてシリコ
ンエピタキシャル層を凸型にエツチングする。次に高温
で熱酸化することによって酸化膜506を形成し、さら
に上面より高真空中で金属物質等を蒸着することにより
505を形成する。このとき505は、多層膜のオーバ
ーハング部には蒸着されない。
第5図(b)金属物質505をマスクしてエツチングを
行い、凸型の端部の酸化膜を除去する。
その後505を除去し、全面に、高抵抗の多結晶シリコ
ン507を堆積し、高温で処理すると、多結晶膜507
の中で多層膜中の503,504から拡散された領域5
08(主に凸部の上面と端部のみが低抵抗となる。次に
エツチング液(たとえば、弗酸、硝酸、氷酢酸の混液)
により508のみを除去する。
第5図(C):シリコンちっ化膜502の端部をエツチ
ング(サイド・エッチ)する。次に多結晶シリコン50
7にp型不純物を拡散するとともに、ベース電極引出し
領域509を形成し、その後層間絶縁膜510を形成す
る。
第5図(d):510をマスクとし、高濃度ガラス層5
04、低抵抗多結晶層503を除去し、さらに熱酸化し
て層間絶縁膜510を厚く形成する。全面にp型不純物
をイオン打込みし、ベース領域511を形成する。
第5図(e):シリコンちっ化膜502を除去し、n型
不純物をイオン打込みして、エミッタ領域512を形成
する。
第5図(f):酸化膜501を除去し、さらに、酸化膜
506,510の一部を除去して、電極513.514
,515を形成する。513をエミッタ、514をベー
ス、515をコレクタとすれば、本発明による装置構造
が形成できる。
以上に述べた実施例1,2.3の特徴は以下のとおりで
ある。
■ シリコンエピタキシャル層で凸型にエツチングした
個所をつくることにより、外部ベース領域を酸化膜上に
形成し、高速化を計っている。
■ 内部ベースとエミッタを自己製合法により製作する
■ 第3図(Q)の34′部の熱酸化膜を厚くすること
により、ベース・エミッタ耐圧を上げる。
なお、本発明の素子で、導電型をP、n逆にしても動作
は同じである。また、素子間分離領域(第3図(a)の
36など)を酸化膜で行ってもよい。
実施例4 第6図は、本発明の半導体装置の第4の実施例によるバ
イポーラ型トランジスタの素子構造の断面積である。p
型Si基板61上にn型埋込み層62が形成され、62
上には一部開孔された酸化膜67が形成されている。6
7および62上にはそれぞれ多結晶シリコン及び単結晶
シリコン層が設けられており、n型車結晶シリコン層部
63゜63′とn型埋込層62をコレクタ領域、64を
ベース領域、65をエミッタ領域とするバイポーラ・ト
ランジスタを構成する。なお領域66は、多結晶シリコ
ンを部分的に酸化することによって形成された分離領域
である。この様に、本実施例によるバイポーラトランジ
スタは、外部ベース領域が酸化膜67上にあるため、従
来の素子に比べて、著しくベース・コレクタ間容量が減
少している一0本実施例のトランジスタの製造工程を第
7図に示す。p型Si基板71中にn型層72を形成す
る。次に基板表面に絶縁性膜たとえばシリコン酸化膜7
7を形成し、その一部を開孔する。その後鋸板全面にn
型エピタキシャル層73を形成する(第7図(a))。
このとき、酸化膜77上は多結晶シリコン層、基板結晶
が露出している部分には単結晶シリコン層が堆積される
。なお、エピタキシャル成長条件に、選択性を持たせる
ことにより、表面に堆積される多結晶と単結晶層の膜厚
を制御し1表面を平坦化することもできる。その後シリ
コン堆積層73中の一部を酸化し、分離領域76を形成
する。なお、分離領域は、pn接合で形成することも可
能である。その後、ベース抵抗減少のためのp型窩濃度
拡散領域74′、内部ベース領域74を形成する(第3
図(b))。次にn型領域75を形成し、エミッタ領域
とする。
なお、このとき、コレクタ取出し領域73′に高濃度n
型層を同時に形成すれば通常のトランジスタとなり、n
型層を形成しなげれば、ショットキー型トランジスタが
製造できる(第3図(C))。
その後、パシベーション膜70を形成し、電極の配線7
8,79,80を行う°ことにより、本発明のトランジ
スタが製作できる。なお、エピタキシャル成長時に絶縁
膜77上にシリコン層を堆積させない場合、または、7
7上のシリコン層を後にエツチングして除去すれば、7
6の分離領域は不必要となる。
第8図、第9図は、本発明の半導体装置構造のバイポー
ラトランジスタにおいて耐圧を増加させた素子構造の実
施例を示したものである。
実施例5(第8図) p型Si被板81上にp型エピタキシャル層82を成長
させる。n型埋込層83とn型領域83′とにより、他
素子とコレクタ領域を分離する。また領域84はコレク
タ領域であり、低濃度のn型導電領域である。さらにエ
ピタキシャル層84.82上に一部穴開けした酸化膜8
9を形成し、さらにn型層を堆積し、その中の形成した
p型頭域86をベース、ベース領域内に形成したn型領
域87をエミッタ、n型領域83’、83゜84.85
.85’をコレクタとすればnpnトランジスタが構成
できる。この構造は第6図の素子構造と異り、コレクタ
領域を厚いためにトランジスタの耐圧が増加する。なお
、88は酸化膜による分離領域である。
実施例6 同様に高耐圧トランジスタは、n型エピタキシャル層を
用いることによっても製作できる。第9図はその断面図
であり、n型層92は、p型Si基板91上に成長させ
たエピタキシャル層である。
93は、n゛型梨型埋込層あり、当素子構造では、隣接
素子とのp型分離領域90が必要となる。酸化膜99を
形成した後の製作工程は、第8図の場合と同様である。
なお、92,93,95.95’はn型コレクタ領域、
96はp型ベース領域、97はn型エミッタ領域、98
は酸化膜分離領域である。
実施例7 本発明による半導体装置の素子構造を、IIL回路(集
積注入論理回路)に応用した場合の実施例を第10図に
示す。p型Si基板101内に形成したn型埋込層10
2上に一部穴開けした酸化膜107を形成し、その上に
シリコンn型層を堆積する。シリコンn型層の一部を酸
化し、分離領域108を形成する。p型不純物を106
,104に拡散し、インジェクタ領域、ベース領域を形
成する。ベース領域104中にn型領域105を形成し
npn逆トランジスタのコレクタ領域を形成すればnp
nトランジスタの外部ベース領域が酸化膜上につくられ
たIIL回路が構成できる。なお、103′はラテラル
pnp)’ランジスタのベース面積比である。又、10
3はN型領域である。
この様にして構成されたIIL回路は、次の特長を有す
る。
■ 外部ベース領域がエミッタ領域に直接液していない
ため、コレクタ面積とベース面積比が大きくなり、逆方
向電流増幅率が大きい。
■ 外部ベース領域が酸化膜上にあるため、ペースエミ
ッタ間容量が少く高速動作が期待できる。
実施例8 第11図は、一部穴開けした酸化膜110上の堆積層を
、選択エピタキシャル法によって形成したときのバイポ
ーラトランジスタの素子構造の実施例を示したものであ
る。製造工程は第7図の場合と同様であるが、本素子は
酸化膜上にもシリコン単結晶層が形成されているため、
堆積層中の結晶欠陥が少く、また分離領域がエピタキシ
ャル成長時に同時に形成されるため、高密度化が出来る
なお、111,112はp型基板及びn型埋込層であり
、110,119は酸化膜、113’。
112.113はコレクタ領域、114,115はそれ
ぞれベース領域、エミッタ領域であり。
116.117,118は各領域の電極である。
以上述べた如く、実施例4,5,6,7,8によれば、
ベース容量を減少できるため高速度で動作するトランジ
スタが製作でき、また耐圧の高いトランジスタと、高速
動作のIIL回路を同一チップ内に構成できる。
以上の実施例の特徴は、基板上に一部穴開けした酸化膜
を設け、その上に通常または選択エピタキシャル法によ
ってシリコン層を堆積し、その中にベース・エミッタ領
域を形成することによって高速のトランジスタを得る素
子構造である。
なお、以上の実施例でp型導電層とn型導電層を逆にし
た場合も同様の動作ができる。また、酸化膜上のエピタ
キシャル層をp型とした場合には、ベース拡散工程が省
略できる。
実施例9 第12図(a)の低抵抗N型Si基板121上に熱酸化
5i02膜122.引き続きCVD Si2N4膜12
3を形成する。この二層構造絶縁膜の一部にホトエツチ
ング法で開孔部124を設ける。その後、5iCQ、H
2,HCQの混合ガスを用いてSi薄膜をエピタキシャ
ル成長させると、開孔部124にのみ選択的に単結晶S
iが形成される。
エピタキシャル層の導電型は基板と同じくN型になって
いる。絶縁膜の厚さより厚くエピタキシャル層が成長す
ると、第12図(b)に示すように絶縁膜表面に沿って
単結晶Siのオーバーハング125が成長する。このオ
ーバーハングの長さは絶縁膜の厚さと開孔部上に成長さ
せたSiエピタキシャル膜の厚さの差にほぼ等しく、エ
ピタキシャル膜厚の制御により、オーバーハングの長さ
を制御することが可能である。こうして得られた選択成
長Siエピタキシャル膜表面に再び熱酸化膜126を形
成する。その後、Si2N4膜のみを化学処理液(たと
えば160℃のリン酸)でエツチングを行なうと、°第
12図(c)に示すととくSiエピタキシャル膜のオー
バーハング下部に間隙127が形成される。選択エピタ
キシャル成長により再びSiの単結晶層128を形成す
る。この層の導電型は、最初の成長層と反対の導電型で
、たとえばp型とする。またこの場合にもオーバーハン
グが形成されるまでエピタキシャル層128の厚みを増
加する。次に第12図(d)に示す様に選択エピタキシ
ャル層表面の酸化膜の一部に開孔部129を設け、この
開孔部を通してイオン打込み法あるいは熱拡散法により
p型不純物を導入してp型溝電層130を形成する。こ
のp型溝電層130の不純物濃度は、p型導電層128
より低いものとする。さらに引続き、開孔部を通してN
型不純物をイオン打込みあるいは熱拡散法で導入して、
高濃度のn型導電層131を形成する。
こうして形成された各層は、バイポーラトランジスタの
コレクタ(基板直上の選択エピタキシャル層120)、
ベース(p型溝電層130)、ベース電極形成用外部ベ
ース(p型エピタキシャル層128)およびエミッタ(
n型導電層131)として、それぞれ動作する。通常の
AQを主とする電極金属を蒸着後、ホトエツチング法で
電極パターンを形成して、それぞれエミッタ電極132
、ベース電極133となし、基本的なバイポーラトラン
ジスタが完成する。本トランジスタの特徴は、ベース電
極引出しのための外部ベースが絶縁膜上に形成されるた
め、コレクタ・ベース間容量が小さくし得ること、隣接
トランジスタ間のアイソレーションが自動的に行なえる
こと、エピタキシャル基板には通常のSi単結晶ウェー
ハを使用できること、SO8構造よりもSiエピタキシ
ャル層の結晶性が大幅に向上するために素子特性が改善
されることにあり、高速高集積密度の素子実現に適して
いる。
実施例10 第13図は縦型接合型電界効果トランジスタの例で、第
12図はp型溝電層130の工程を除いて第12図の構
造と同じになっている。この場合、p指導電層128は
ゲート、n型導電層131′はソース、基板121はド
レインとして動作する。
チャネル幅は絶縁膜の開孔部124の幅で暴走されるた
め、0.5μm以下に制御することも可能で、従来実現
困難であったノーマリオフ型動作の素子も容易に得られ
、高速、低消費電力、高集積素子の実現に極めて有用で
ある。
実施例11 第14図はMO8型電界効果トランジスタの例について
示したもので、第12図(C)の工程に効 引き続き、CVD法とホトエツチング法で多結晶Siゲ
ート134を形成する。その後表面から全面にイオン打
込みでp型不純物を打込み、選択エピタキシャル層12
0の、多結晶Siアゲ−〜直下以外のオーバーハング領
域にp型導電層135を形成する。この導電層の不純物
濃度は選択エピタキシャル層128の濃度とほぼ等しく
する。AQを主とする電極を形成して、ゲート136、
ドレイン137、ソース138とする。この例ではpチ
ャネルトランジスタについて述べたが、Nチャネルトラ
ンジスタについては、各工程の不純物導電型を逆にすれ
ばよい。本トランジスタ構造でも、ソースおよびドレイ
ンは絶縁膜上に形成されているため、寄生容量が減少し
、高速化が容易になる。
実施例12 他の実施例としてI2Lへの適用例を第15図にし示す
。第15図(a)は第12図(c)と同じ工程を示すが
、隣接トランジスタ間の距離を縮めて外部ベース層13
6が連なった構造になっている。次に第15図(b)で
、一対の片側のトランジスタ表面の酸化膜の一部を除去
して1選択エピタキシャル層120の表面に露出部14
0を形成する。その後イオン打込みあるいは熱拡散法で
p型不純物を拡散し、p型心電層141を形成する。引
き続き、第12図(d)の工程と同じく、他方のエピタ
キシャル層表面の酸化膜に開孔部142を設け、p型不
純物およびn型不純物をイオン打込みし、それぞれp型
導電層143、n型導電層144を形成する。その後A
Mを主体とする電極を設けて、インジェクタのエミッタ
147、インジェクタのコレクタおよび逆方向動作トラ
ンジスタのベース145、および逆方向動作トランジス
タのコレクタ146とする。インジェクタのベースおよ
び逆方向動作トランジスタのエミッタはエピタキシャル
基板からとする。本発明によりインジェクタのベース幅
は、従来のラテラルトランジスタに比して狭く制御する
ことが容易なため、インジェクタから逆方向動作トラン
ジスタのベースへの電流注入効率が向上し、低消費電力
化に対するメリットは大きい。またベースの寄生容量も
小さいため、高速動作の改善も著しい。
〔発明の効果〕
以上述べてきた如く、本発明は従来と全く異なった構造
で高速動作、高集積度、低価格のトランジスタおよび集
積回路の実現を容易ならしめ、かつ各種トランジスタ実
現のための基本技術を提供し得るため、そのメリットは
大きい。
以上の各実施例1〜12においては、主に半導体として
Siを用いた例を示したが、GaAs等の他の半導体を
用いても本発明の装置を実現できる。又、各実施例での
p型、n型の導電型を逆に用いることができることは勿
論である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の半導体装置の1例としてバイポーラトラ
ンジスタの構造を示す断面図、第2図は本発明の半導体
装置の1実施例であるバイポーラトランジスタの構造を
示す断面図、第3図は第2図のトランジスタの製造工程
を示す断面図、第4図は本発明の半導体装置の1実施例
であるIILの構造を示す断面図、第5図は第2図のト
ランジスタの他の製造工程を示す断面図、第6図は本発
明の他の実施例であるバイポーラトランジスタの構造を
示す断面図、第7図は第6図のトランジスタの製造工程
を示す断面図、第8図、第9図、第10図、第11図、
第12図、第13図、第14図、第15図は本発明の半
導体装置の別の実施例を示す断面図である。 21・・・p型Si基板、22・・・n型埋込層、23
・・・n型Siエピタキシャル層(コレクタ領域)、2
4・・・p型ベース領域、25・・・n型エミッタ領域
、26・・・p型分離領域、27・・・絶縁膜(SiO
□等)、28・・・多結晶Si(外部ベース領域)、2
9・・・絶縁膜(Si02等)。 第7図 筋2目 第3目 、?I2 第夕目 !/    1.; 第夕閲 第7の ?、? 第、!i′口 第7図 り6 ノ2圀 第72国 第1左目

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、少なくとも1つの第1導電型の凸部を有する単結晶
    半導体基体と、上記凸部の側壁表面領域に互いに対向し
    て設けられた第2導電型の第1、第2領域と、を有する
    トランジスタを備えてなることを特徴とする半導体集積
    回路装置。 2、上記第1、第2の多結晶半導体層上に、それぞれ第
    1、第2の電極が設けられてなることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載の半導体集積回路装置。
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