JP3208604B2 - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
薄膜トランジスタ及びその製造方法Info
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の製造方法に関するものである。
コン活性層を有する薄膜トランジスタは、液晶表示装置
やスタチックランダムアクセスメモリ(SRAM)等へ
の利用が始まっており、近年その技術的重要性が増して
いる。
TFTと称する場合もある)は、ポリシリコンのグレイ
ンバウンダリに存在するトラップの影響により、小さな
オン電流、大きなオフ電流という好ましくない特性を有
しており、これらの改善が望まれている。
タ保持電流を小さく保つため、オフ電流、即ちTFTの
リーク電流を小さくすることが非常に重要である。
ば電子情報通信学会技術報告SDM90−141(加
藤,1990)等に述べられているように、グレインバ
ウンダリトラップを介したトンネル電流が主であると考
えられており、このグレインバウンダリトラップを減ら
す努力がなされてきた。このためには、例えば、グレイ
ンを大きくして、単一にTFTの含まれるグレインバウ
ンダリの数を実質的に少なくし、これによってトラップ
も減らすという方法や、また、プラズマSiNに含まれ
る水素を利用してトラップを不活性化する方法などが主
にとられている。
だ十分満足のゆく特性が得られているともいえず、ま
た、特性を改善してゆく上での指針も明確ではないとい
うのが現状であった。
電流を低減して、特性の良好な薄膜トランジスタを提供
することを目的とし、また、このような薄膜トランジス
タが得られる薄膜トランジスタの製造方法を提供するこ
とを目的とする。
は、特にTFTのリーク電流の原因に着目し、鋭意解
析、検討を重ねた結果、本出願の各発明によって上述し
た目的が達成されることを見い出した。
絶縁膜上に活性層となるポリシリコン層を形成した薄膜
トランジスタにおいて、前記ポリシリコン層の表面、裏
面及び側面が、前記ポリシリコン層の酸化によって形成
された二酸化シリコンで被われていることを特徴とする
薄膜トランジスタであり、これにより上記目的を達成し
たものである。
上に活性層となるポリシリコン層を形成した薄膜トラン
ジスタにおいて、前記ポリシリコン層は、ソース・ドレ
イン領域を有し、前記ポリシリコン層の表面、裏面及び
側面が、前記ポリシリコン層の酸化によって形成された
二酸化シリコンで被われていることを特徴とする薄膜ト
ランジスタであり、これにより上記目的を達成したもの
である。
にゲート電極、ゲート絶縁膜膜、活性層となるポリシリ
コン層を順次形成した薄膜トランジスタにおいて、前記
ポリシリコン層の表面、裏面及び側面が、前記ポリシリ
コン層の酸化によって形成された二酸化シリコンで被わ
れていることを特徴とする薄膜トランジスタであり、こ
れにより上記目的を達成したものである。
上に、薄膜トランジスタのチャネル領域の幅が1μm以
下となるようにパターニングしたポリシリコン層を形成
し、前記ポリシリコン層を熱酸化することによって、前
記ポリシリコン層の表面、裏面及び側面を二酸化シリコ
ンで被うことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法
であり、これにより上記目的を達成したものである。本
出願の請求項5の発明は、ゲート絶縁膜上に、薄膜トラ
ンジスタのチャネル長(L)の1/5以上の大きさでか
つ同薄膜トランジスタのチャネル幅(W)の1/3以上
の大きさの粒径を有するポリシリコン層を形成し、前記
ポリシリコン層を熱酸化することによって、前記ポリシ
リコン層の表面、裏面及び側面を二酸化シリコンで被う
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法であり、
これにより上記目的を達成したものである。
背景とともに説明すると、次のとおりである。まず、リ
ーク電流の解析について説明する。
す概略断面図である。図1に例示のTFTは、絶縁膜1
3上に素子の活性層を形成した薄膜トランジスタ(図1
中、符号14でこの構造例における活性層となるポリシ
リコン層を示す)において、ポリシリコン層14と絶縁
膜13との界面に存在する界面準位密度を1×1011/
cm2 以下にしたものである。
も表面が絶縁性を有する基板11の上面にゲート電極1
2が形成され、該基板11は、例えば酸化シリコン基板
よりなるものであり、また該ゲート電極12は、例えば
p型不純物を導入した多結晶シリコンよりなる。かつ上
記ゲート電極12を覆う状態に、酸化シリコン膜よりな
るゲート絶縁膜13が形成されている。該ゲート絶縁膜
13上には、形成しようとする薄膜トランジスタ10の
活性層となるポリシリコン層14が形成されている。こ
のポリシリコン層14の表面には、二酸化シリコン膜1
5が形成されている。上記ゲート電極12の両側の上記
ポリシリコン層14には、ソース・ドレイン領域16,
17が形成されている。またソース・ドレイン領域1
6,17間のポリシリコン層14がチャネル領域18に
なる。この構成により、薄膜トランジスタ10が形成さ
れている。
性を図2に示す。横軸はドレイン電圧Vd、縦軸はドレ
イン電流Idであり、ゲート電圧0Vである。従ってド
レイン電流は、TFTのリーク電流を示している。図2
に示した特性について詳しく検討した結果、本発明者ら
は次のような新たな知見を得た。
V以下では、IdとVdとの間に Id ∝ √Vd という関係が存在し、このことはIdが古典的なショッ
クレイ・リード・ホールモデルに基づいた発生再結合電
流であることを示す。
では、Idは電界加速型(フィールドエンハンス型)の
発生電流である。
ド間トンネル型のリーク電流が現れ始め、6V以上では
この成分がリークの主要成分となる。
速型発生電流、I0 は低電界、即ち上記(1)に相当す
る発生電流、αは物質定数に関係した係数、Eは電界強
度である。従って上記(1),(2)のリーク電流を抑
制するには、I0 を減少させることが必要であることが
わかる。
れば、キャリアの発生速度(リーク電流に対応する量)
は、 と表される。ここでAは物質によって決まる定数、Nt
はトラップ密度あるいは発生再結合中心密度、Etはト
ラップのエネルギーレベル、Eiは真性エネルギーレベ
ル、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。この関
係から、Uを小さくするには、Ntを小さくする必要が
あることがわかる。
ラップ体積密度、tpolyはポリシリコン層の厚さ、Ns
b,Nsfはそれぞれポリシリコンの裏,表での界面準
位密度を示している。この様子を模式的に示したのが図
3であり、ここではTFTのドレイン近傍を示してい
る。
17の端近くでは、空乏層40がチャネル領域18に向
かって拡がっており、この空乏層中でリーク電流が発生
する。
て、Siバルクトラップ(Nbに対応)がこれまで主に
考えられてきたが、界面準位密度Nsf,Nsbも重要
な発生中心であると考えられる。
面の形成法により変わることがよく知られており、Si
を直接熱酸化した場合が最も小さく、ほぼ1010/cm
2 程度である。一方Si上にCVD法等によりSiO2
を形成した場合には、条件にもよるが、1012/cm2
程度の値になるのが一般的である。
CVD法などによりSi層を形成する方法がとられてい
て、ここでの界面準位密度は〜1012/cm2 (10
-12 /cm2 またはそれよりやや小さい程度を示す。本
明細書中において同じ)と大きかった。これは一般的な
工程を用いている限りは避けることのできない問題であ
った。なぜなら、堆積したSi層の下面(界面側)を熱
酸化などによって低界面準位密度化することが困難だか
らである。
は容易なので、図3でいえばNsbは容易に小さくでき
る。一方Nsfは通常は〜1012/cm2 程度になる。
の解析が試みられているが、これもほぼ〜1012/cm
2 (Nb×tpoly)程度かそれ以下と考えられている。
に、ポリシリコン活性層の両面を熱酸化したもの、片面
だけ酸化したもの、どちらも酸化しないものを準備し、
低電界領域での発生電流の解析から、NT を求めた。
は、ポリシリコンのグレインが酸化によって特に影響を
受けているとは認められず、Nbはほぼ一定である。
界面準位密度を減少させることが、NT を著しく減少さ
せることに直接的に効果がある。従ってこれによりTF
Tのリーク電流を減少させることが可能になる。
結果なされたものであり、特にリーク電流を減少させる
ためには、上記のようにTFTの界面準位密度を低く抑
えることが非常に重要であることを見い出した結果、完
成されたものである。
て説明する。但し当然のことではあるが、本発明は以下
に述べる実施例により限定されるものではない。
(a)はチャネルに平行な方向、(b)はチャネルに垂
直な方向での断面図である。
及び13′の2層から構成されている。この内絶縁膜1
3′は、TFTのチャネル領域の酸化により形成された
ものである。
上に活性層となるポリシリコン層を形成した薄膜トラン
ジスタにおいて、ポリシリコン層の表面、裏面及び側面
が、該ポリシリコン層の酸化によって形成された二酸化
シリコンで被われているものである。
造方法を、製造工程(その1)を示す図5及び製造工程
(その2)を示す図6により説明する。
う。この工程では、少なくとも表面が絶縁性を有する基
板11として、例えば酸化シリコン基板を用いる。
によって、この基板11の上面に多結晶シリコン膜21
を、例えば50nmの厚さに形成する。その後通常のホ
トリソグラフィーとエッチングとによって、上記多結晶
シリコン膜21の図5(a)に2点鎖線で示す部分を除
去して、多結晶シリコンパターン22,23,24を形
成する。
注入法によって、上記多結晶シリコンパターン22〜2
4に二フッ化ホウ素(BF2 + )を導入する。このとき
のイオン注入条件としては、例えばイオン注入エネルギ
ーを20keV、ドーズ量を1×1015/cm2 に設定
する。そして、多結晶シリコンパターン22をp型化し
て、ゲート電極12を形成する。また上記同様にして、
多結晶シリコンパターン23,24をp型化し、p+ ソ
ース・ドレイン取り出し電極25,26を形成する。
低圧CVD法によって、上記ゲート電極12の表面と上
記p+ ソース・ドレイン取り出し電極25,26の表面
とに酸化シリコン膜を、例えば35nmの厚さに形成す
る。更に絶縁性を向上させるために、850℃のドライ
酸化を行って、上記酸化シリコン膜の厚さを5nm程
度、更に厚くする。従って、厚さが40nmの酸化シリ
コン膜27が形成される。上記ゲート電極12上の酸化
シリコン膜27は、ゲート絶縁膜13になる。
チングとによって、p+ ソース・ドレイン取り出し電極
25,26上の酸化シリコン膜27を一部除去して、コ
ンタクトホール28,29を形成する。これにより図5
(b)の構造を得る。
図5(c)に示す如く、低圧CVD法によって、上記コ
ンタクトホール28,29の内部と上記ゲート絶縁膜1
3の表面と酸化シリコン膜27の表面とに非晶質シリコ
ン膜30を、例えば30nmの厚さに形成する。この成
膜条件としては、例えば成膜温度を450℃、成膜雰囲
気の圧力を0.67kPaに設定する。
理(低温固相結晶化処理)を行って、非晶質シリコン膜
30を結晶化し、ポリシリコン層14を形成する。この
ポリシリコン層14の結晶粒径は、例えば2μm程度の
径を有する。
トリソグラフィーとエッチングとによって、上記ポリシ
リコン層14の2点鎖線で示す部分を除去し、残りのポ
リシリコン層14で能動領域形成部19を形成する。
まず図6(e)に示すように、850℃のドライ酸化を
行って、上記能動領域形成部19を酸化し、10nm〜
20nmの厚さの酸化シリコン膜15を形成する。従っ
て、この酸化により、能動領域形成部19の膜厚は、1
0nm〜20nmになる。ここではドライ酸化を用いた
が、例えばウェット酸化によって酸化を行ってもよい。
膜13中を拡散し、チャネルポリシリコンの下面を酸化
し、図6(e)に示すとおり第2のゲート酸化膜13′
が形成される。下面の酸化は初期のゲート酸化膜の膜厚
や、能動層の酸化量、また能動層の幅の相関で決まるの
が、能動層の幅が1μm以下であれば上記の条件でほぼ
界面準位を低下させるに十分な酸化ができる。
ぎると(例えば5nm程度またはそれ以下にすると)、
ON抵抗が非常に大きくなるために、ON電流が非常に
流れ難くなる。このため、ON/OFF比が大幅に低下
する。従って、ポリシリコン層14よりなる能動領域形
成部19は、最終的には例えば10nm程度の厚さに形
成した。
極12の両側の能動領域形成部19にソース・ドレイン
領域16,17を形成する。ソース・ドレイン領域1
6,17を形成するには、まず通常のホトリソグラフィ
ーによって、ゲート電極12上にイオン注入マスク(図
示せず)を形成する。その後通常のイオン注入法によっ
て、能動領域形成部19に、例えばp型不純物を導入し
て、ソース・ドレイン領域16,17を形成する。上記
イオン注入条件としては、例えばp型不純物に二フッ化
ホウ素(BF2 + )を用い、イオン注入エネルギーを1
0keV、ドーズ量を1×1014/cm2 〜5×1014
/cm2 に設定する。上記ソース・ドレイン領域16,
17間の能動領域形成部19、がチャネル領域18にな
る。
う。配線工程は、まず図7(A)に示すとおり、例えば
CVD法によって、酸化シリコン膜15側の全面に層間
絶縁膜31を形成する。この層間絶縁膜31は、例えば
酸化シリコンよりなる。
ングとによって、ソース・ドレイン取り出し電極25,
26上の層間絶縁膜31と酸化シリコン膜27とにコン
タクトホール32,33を形成する。
に二フッ化ホウ素(BF2 + )をイオン注入した後、1
050℃の温度雰囲気で10秒間の急速加熱アニール
(RTA)処理を行って、ソース・ドレイン領域16,
17を活性化する。
パッタ法によって、コンタクトホール32,33の内部
と層間絶縁膜31の表面とに、例えば配線用金属膜34
を形成する。この配線用金属膜34は、例えばアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金により形成する。
ングとによって、上記配線用金属膜34の2点鎖線で示
す部分を除去し、p+ ソース・ドレイン取り出し電極2
5,26に接続する金属配線35,36を形成する。
ズマCVD法によって、金属配線35,36側の全面
に、パッシベーション膜37として、例えばプラズマ窒
化シリコン(p−SiN)膜を形成する。更に金属配線
35,36をシンター処理する。
のチャネル長(L)の1/5以上の大きさでかつ同薄膜
トランジスタ10のチャネル幅(W)の1/3以上の大
きさの粒径を有するポリシリコン層14を形成した後、
そのポリシリコン層14の表面を酸化して、当該ポリシ
リコン層14の膜厚を薄くしたので、大粒径でかつ薄い
多結晶シリコン膜14が得られる。
化されるので、界面準位密度を十分に下げることができ
る。
19を形成したことにより、TFTのオフ電流を減少で
き、また、移動度も大きな優れた特性のTFTが実現で
きる。
Tの特性の例を示す。TFTのチャネル幅W,チャネル
長Lはそれぞれ0.5,0.7μmであり、能動層の酸
化を行ったもの(Iで示す)と行わなかったもの(IIで
示す)との比較を示している。
行い界面準位密度を減少させたTFTでは、グラフIの
とおりオフ電流(Vg=0V)で2桁以上の減少が実現
できている。またスイッチング特性も急峻になってい
る。
きさのTFTの特性の例を示している。この場合は、W
=10μmの場合(グラフIa)とW=0.5μmの場
合(グラフIb)とを比較しているが、W=10μmの
場合、Iaで示すようにオフ電流の減少が必ずしも十分
にならない傾向がある。これはWが広いために、能動層
の下面の酸化が十分でなかったためであると考えられ
る。
0である。図10はTFTのオン電流とオフ電流とを、
ポリシリコン層の酸化量に対して示したものである。ポ
リシリコン層の酸化前の厚さは30nmであり、酸化に
よって減少した後の膜厚を横軸下段に、酸化量を上段に
示している。
3.3Vでの値である。またIoffは、それぞれ−
3.3V、0Vでの値である。
は、酸化量に対してIoffの減少はなだらかで、大幅
な改善にはなっていない。W=0.5μmでは、Iof
fは酸化とともに大きく減少してゆく。但し、酸化量が
大きくなり過ぎた(24nm酸化された)場合は、チャ
ネルポリSiが一部消失してしまって、Ionも減少し
バラツキも大きくなってしまった。
せて考えると、次のようなことがいえる。
2 102上に形成されたポリシリコン101を酸化する
場合、ポリシリコン101下面の酸化は、SiO2 10
2中を拡散してきた酸素がポリSi層101の下面に到
達し行われるので、ポリシリコンのパターンエッヂ近く
の方が酸化が容易に進む。酸化途中を示す図12のよう
に、酸化は、一般に知られているようにくさび状に起こ
り、このくさび状の領域105をバーズビークと呼ぶ。
十分な酸化後の構造を図13に示す。
すると、xは酸化膜102の厚さt102 、酸化温度、酸
化時間等の関数となる。
ーク105の長さxは、ポリSi能動層の幅Wの1/2
以上であることが望ましい。
の酸化(Si基板上20nm)ではxはほぼ0.4μm
程度になる。従ってWとしては0.8μm程度以下とい
うことになる。t102 が10nmの場合にはxは0.1
μm程度なのでW=0.2μmということになる。
プロセスの設計上決定される問題であるが、高温長時間
の熱処理を極力少なくしたいLSIプロセスの中では、
特にWの幅を小さくして、少ない酸化でポリSi層の下
面が酸化されるようにするのが望ましく、W=1.0μ
m以下が実用的に使われる範囲といえる。
かに大きいW=10μmというTFTでは特性改善が不
十分であるが、W=0.5μmでは大幅な改善ができて
いる。
界面準位やバルクトラップを不活性化する水素が、Si
中に比べ、SiO2 中を容易に拡散するため、Wが小さ
い方が、下層のSiO2 を通ってポリSi中や下層界面
に水素が到達しやすくなることが考えられる。従ってW
の小さいTFTではより効果的にトラップの水素による
不活性化が行われると考えられる。
た、特性の良好な薄膜トランジスタ及びその製造方法を
提供することができる。
膜トランジスタの概略構成断面図である。
の関係)を示す図である。
図である。
図である。
る。
との関係を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】ゲート絶縁膜上に活性層となるポリシリコ
ン層を形成した薄膜トランジスタにおいて、前記ポリシリコン層 の表面、裏面及び側面が、前記ポリ
シリコン層の酸化によって形成された二酸化シリコンで
被われていることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 【請求項2】ゲート絶縁膜上に活性層となるポリシリコ
ン層を形成した薄膜トランジスタにおいて、前記ポリシリコン層は、ソース・ドレイン領域を有し、 前記ポリシリコン層の 表面、裏面及び側面が、前記ポリ
シリコン層の酸化によって形成された二酸化シリコンで
被われていることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 【請求項3】半導体基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜
膜、活性層となるポリシリコン層を順次形成した薄膜ト
ランジスタにおいて、前記ポリシリコン層の 表面、裏面及び側面が、前記ポリ
シリコン層の酸化によって形成された二酸化シリコンで
被われていることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 【請求項4】ゲート絶縁膜上に、薄膜トランジスタのチ
ャネル領域の幅が1μm以下となるようにパターニング
したポリシリコン層を形成し、 前記ポリシリコン層を熱酸化することによって、前記ポ
リシリコン層の表面、裏面及び側面を二酸化シリコンで
被うことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項5】ゲート絶縁膜上に、薄膜トランジスタのチ
ャネル長(L)の1/5以上の大きさでかつ同薄膜トラ
ンジスタのチャネル幅(W)の1/3以上の大きさの粒
径を 有するポリシリコン層を形成し、 前記ポリシリコン層を熱酸化することによって、前記ポ
リシリコン層の表面、裏面及び側面を二酸化シリコンで
被うことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
Priority Applications (5)
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JP18579792A JP3208604B2 (ja) | 1992-06-20 | 1992-06-20 | 薄膜トランジスタ及びその製造方法 |
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US08/389,729 US5518939A (en) | 1992-06-20 | 1995-02-15 | Method and apparatus for static RAM |
US08/412,601 US5506435A (en) | 1992-06-20 | 1995-03-29 | Static ram having an active area with a tapered bottom surface |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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JPH065860A JPH065860A (ja) | 1994-01-14 |
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KR100498629B1 (ko) * | 1998-12-16 | 2005-09-20 | 엘지.필립스 엘시디 주식회사 | 액정표시장치의제조방법 |
-
1992
- 1992-06-20 JP JP18579792A patent/JP3208604B2/ja not_active Expired - Lifetime
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