JP3166256B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

液晶表示装置

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JP3166256B2
JP3166256B2 JP35480591A JP35480591A JP3166256B2 JP 3166256 B2 JP3166256 B2 JP 3166256B2 JP 35480591 A JP35480591 A JP 35480591A JP 35480591 A JP35480591 A JP 35480591A JP 3166256 B2 JP3166256 B2 JP 3166256B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアクティブマトリクスタ
イプの液晶表示装置に関する。より詳しくは、画素電
極、薄膜トランジスタ及び付加容量等の形成された駆動
用基板のトレンチ構造に関する。
【0002】
【従来の技術】図10に一般的なアクティブマトリクス
タイプ液晶表示装置の等価回路を示す。互いに直交配置
されたm本のゲート線(G1,G2…Gm)とn本のソ
ース線(S1,S2…Sn)の交点に、薄膜トランジス
タ101(MOS−FET)、付加容量としての電荷蓄
積用コンデンサ102、画素を構成する液晶セル103
が形成されている。かかる構成を有する液晶表示装置は
例えば点順次で駆動される。即ち、ゲート線G1,G2
…Gmにはパルス幅が一水平走査周期に設定された走査
信号が順次印加される。1本のゲート線が選択されてい
る期間内に、サンプリングされた表示信号がソース線S
1,S2…Snに順次ホールドされる。その直後、夫々
の画素に対応するトランジスタ101を介して表示信号
が書き込まれる。画素に書き込まれた表示信号は、液晶
セル103及びコンデンサ102によって1フィールド
期間保持され、次のフィールドで反対極性の信号に書き
換えられる。これにより液晶が交流駆動される。
【0003】液晶セル103が有する画素容量は大きい
程、表示信号のサンプリングホールドが確実に行なえる
ので、表示コントラストむらが生じにくく画像品質も向
上する。しかしながら、小型の表示装置の場合、画素の
微細化あるいは高精細化を行なうと画素電極面積が例え
ば100μm角以下となり、十分な画素容量が得られな
い。この為、一般に画素に対して並列に付加容量が接続
される。高精細画素の場合、通常付加容量は画素容量の
5倍程度が必要になる。かかる容量を平面的に形成する
と画面上における占有率が高くなり画素の実効的な開口
率(画面に占める画素電極の割合)が低下するという欠
点がある。この点に鑑み、所謂トレンチ型の付加容量を
採用した従来例が、例えば特開昭64−81262号公
報に開示されている。図11を参照してこの従来例を簡
潔に説明する。絶縁基板104の表面には溝もしくはト
レンチ105が形成されている。その内壁に沿って、順
次第1電極106、誘電体膜107及び第2電極108
が形成されている。この様にして得られたトレンチ型の
付加容量109はその平面積に比べて電極面積を大きく
とれるので小型且つ大容量となる。一方、画素駆動用ト
ランジスタ110は半導体薄膜111を用いて形成され
る。即ち、半導体薄膜111の上にはゲート絶縁膜11
2,113を介してゲート電極114がパタニングされ
ており、所謂電界効果型の薄膜MOSトランジスタが得
られる。トランジスタ110のドレイン領域には第1層
間絶縁膜115を介して画素電極116が接続されてい
るとともに、トランジスタ110のソース領域には同じ
く層間絶縁膜115を介してソース線117が電気接続
されている。これらの積層構造を保護する様にパッシベ
ーション膜118が被覆されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図12を参照して発明
が解決しようとする課題を簡潔に説明する。前述した従
来例においては、トレンチは石英等から構成される絶縁
基板に形成されていた。トレンチ形成は一般にプラズマ
エッチング等を利用して行なわれる。図12の上側部に
示す様に、石英からなる絶縁基板104の表面にパタニ
ングされたレジスト119が形成される。次に、図12
の下側部に示す様に、レジスト119に設けられた開口
120を介して反応性プラズマを照射し石英を除去す
る。一般に、付加容量を形成する為にはトレンチ105
は3μm程度の深さを必要とする。しかしながら、エッ
チング処理における絶縁基板104とレジスト119の
選択比(石英からなる絶縁基板104のエッチングレー
トに対するレジスト119のエッチングレートの比)を
大きくとる事ができない。絶縁基板104を構成する石
英が緻密な構造を有するのに対して、レジスト119を
構成する有機材料がエッチング処理に長時間耐えられな
い。例えば、基板104に対して1μm程度までトレン
チを掘った時に、レジスト119は消失してしまう。こ
の為、目標のトレンチ深さ3μmを得るまでレジスト形
成及びエッチングを繰り返さなければならず、生産効率
が悪いという問題点がある。
【0005】又、従来のトレンチ105は略垂直な内側
壁を有していた。この為、内側壁に沿って半導体膜ある
いは電極膜を堆積するとステップカバレッジが悪い為段
切れ等の故障原因となっていた。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の問
題点あるいは課題に鑑み、本発明はトレンチ形成の生産
効率向上を目的とする。併せて、ステップカバレッジの
良好なトレンチ形状を提供する事を目的とする。かかる
目的を達成する為に講じられた手段を図1に基づいて説
明する。本発明にかかる液晶表示装置は互いに対向配置
された一対の基板1及び2と、両基板間に挟持された液
晶層3とから構成されている。上側の基板2の内表面に
は対向電極4が全面に形成されている。一方、下側の駆
動用基板1には、マトリクス状に配列された画素電極5
と、この画素電極に接続された薄膜トランジスタ6と、
この薄膜トランジスタを介して電荷を保持する為の付加
容量7とが形成されている。
【0007】駆動用基板1は石英等からなる透明絶縁基
材8とこの基材上に形成された窒化シリコン等の透明絶
縁膜9とからなる積層構造を有している。薄膜トランジ
スタ6は、この絶縁基材8及び透明絶縁膜9の積層構造
内に形成された側面がテーパを有する溝部10に沿って
形成された半導体層11と、この半導体層上に形成され
たゲート絶縁膜12と、このゲート絶縁膜上に形成され
且つ前記溝部10を埋める様に配置されたゲート電極1
3とから構成されている。なお、薄膜トランジスタ6の
ソース領域Sには、第1層間絶縁膜14を介してソース
線15が接続されている。この上には第2層間絶縁膜1
6が堆積されている。又、画素電極5は第1層間絶縁膜
14を介して薄膜トランジスタ6のドレイン領域Dに電
気接続されている。
【0008】一方、付加容量7は、前述した溝部10と
同時に駆動用基板1に形成された他の溝部17の内壁に
沿って形成された第1電極18と、誘電体膜19を介し
て設けられた第2電極20とで構成されている。好まし
くは、第1電極18は半導体層11と同一材料で形成さ
れており、例えば第1ポリシリコンが用いられる。又、
誘電体膜19もゲート絶縁膜12と同一材料で形成され
ている。さらに、第2電極20はゲート電極13と同一
材料で形成されており、例えば第2ポリシリコン堆積膜
が用いられる。
【0009】図1においては薄膜トランジスタ6及び付
加容量7の両者がトレンチ構造を有している。しかしな
がら、本発明はこれに限られるものではなく、少くとも
一方の素子がトレンチ構造を有していれば良い。特に、
従来例と異なり付加容量7に加えて薄膜トランジスタ6
も同時にトレンチ構造とする事により、画素開口率の一
層の改善が可能になる。
【0010】
【作用】図2を参照して本発明の作用を詳細に説明す
る。図2はトレンチあるいは溝部10の形状並びに形成
工程を示す模式的な断面図である。前述した様に、絶縁
基材8は例えば石英基板からなる。石英基板は例えば1
200℃程度の加工温度で製造されるので極めて緻密な
微細構造を有する。一方、石英基板の上には透明絶縁膜
9が成膜される。この絶縁膜9は例えば窒化シリコン、
二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル等の材料
を用いる事ができる。低圧化学気相成長法(LPCV
D)あるいはスパッタリング法を用いてこれらの材料を
堆積する。窒化シリコンを用いると石英基板に含有され
るナトリウムイオン等の不純物に対してゲッタリング効
果があるので好ましい。例えば、LPCVD法を用いて
窒化シリコンを1μm〜2μmの厚みで堆積する。な
お、膜厚が大きくなると内部応力によりクラックが発生
する惧れがあるので、好ましくは膜厚を1μm程度に抑
えると良い。この成膜は600℃程度の処理温度で行な
われる為、石英基板に比較するとポーラスな微細構造を
有しており、エッチングレートが高くなる。透明絶縁膜
9の表面には所定の形状にパタニングされたレジスト膜
21が形成される。レジスト膜21の膜厚は通常1μm
〜2μmに設定される。これ以上厚くなると膜厚の均一
性を維持する事が困難になる。
【0011】レジスト膜21に形成された開口22を介
してプラズマエッチング等の異方性エッチングを行なう
と、ポーラスな構造を有する透明絶縁膜9は速やかにエ
ッチングされる。絶縁膜9に対するレジスト膜21の選
択比は高いのでこの間レジスト膜21は損傷を受けな
い。加えて、異方性エッチングであっても、絶縁膜9の
エッチングレートが高い為反応プラズマの回り込みが生
じ容易にテーパ形状を得る事ができる。さらにプラズマ
エッチングを続行すると絶縁基材8の表面にもトレンチ
が形成され最終的に深さ3μm程度の溝部10が得られ
る。絶縁基材8に形成されたトレンチのテーパ角は絶縁
膜9に形成されたトレンチのテーパ角に比べて急峻であ
るが、全体として溝部10はテーパ形状を有する事にな
る。
【0012】本発明によれば、エッチングレートの高い
透明絶縁膜を介在させた分だけエッチング処理の高速化
が可能となりレジスト膜21を繰り返し形成する必要が
ない。従って、トレンチ形成工程のスループットが向上
する。加えて、溝部10の断面形状がテーパになるので
ステップカバレッジが良くなり断線故障等を有効に防止
でき歩留りが向上する。
【0013】
【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図3ないし図9は本発明にかかる液晶
表示装置の画素駆動用基板の製造工程を示す工程図であ
る。まず、図3はトレンチの形成工程及び第1ポリシリ
コン膜の形成工程を示している。最初に、透明絶縁膜例
えば窒化シリコン膜30が表面に被覆された石英基板3
1を用意する。本例においては窒化シリコン膜が用いら
れているがこれに限られるものではなく二酸化シリコ
ン、窒化シリコン、酸化タンタル等の透明絶縁材料を用
いる事もできる。窒化シリコン膜30はLPCVD法に
より1μm〜2μmの膜厚で形成される。次に、窒化シ
リコン膜30の表面にレジスト膜32をパタニングす
る。このレジスト膜32に形成された開口を介してプラ
ズマエッチングを行ない、テーパ形状を有するトレンチ
33T,33Cを同時に形成する。なお、一方のトレン
チ33Tは薄膜トランジスタを形成する為のものであ
り、他方のトレンチ33Cは付加容量を形成する為のも
のである。プラズマエッチングはCF4 とO2 の95対
5混合気体を反応ガスとして選び、ガス圧力を0.6To
rrに設定し、プラズマを発生する為の高周波電力を10
00Wに設定し、基板温度を60℃に設定した。この時
得られたシリコン窒化膜のエッチングレートは583オ
ングストローム/min であり、石英基板31のエッチン
グレートは341オングストローム/min であった。低
圧化学気相成長により成膜されたシリコン窒化膜30は
ポーラスな構造を有しそのエッチングレートは緻密な構
造を有する石英基板31のおよそ1.7倍であった。こ
の為、シリコン窒化膜30は速やかにエッチングされる
とともに所望のテーパ形状を得る事ができた。この時点
で、レジスト膜32は殆ど損傷を受けてないのでプラズ
マエッチングを続行し、1回の処理でトレンチ33T,
33Cを形成する事ができた。トレンチを形成した後、
不要になったレジスト膜32を例えばプラズマアッシン
グを用いて灰化し除去する。続いて、基板表面全体に渡
って第1ポリシリコン膜34を堆積する。この成膜はL
PCVD法を用いて行ない800オングストロームの膜
厚を得た。この後、Siイオンを注入し一旦ポリシリ
コンをアモルファス状態に近くする。このイオンインプ
ランテーションは例えば30keV の加速エネルギーでド
ーズを1×1015/cm2 に設定して行なった。あるい
は、加速エネルギーを50keV に設定しドーズを同じく
1×1015/cm2 に設定しても良い。この後、620℃
の加熱処理あるいはアニールを行ないシリコン結晶の固
相成長を生じさせる。この処理により一旦アモルファス
化された第1ポリシリコン層には結晶粒径の拡大化が生
じ単結晶に近い高性能の電気特性が得られる。この際、
トレンチはテーパ形状を有しているので、その上に堆積
された第1ポリシリコン膜34も入射イオンに対して露
出している。この為、均一なSiイオンの注入ができ
固相成長を一様に行なえるというメリットがある。最後
に、第1ポリシリコン膜34をパタニングし、一方のト
レンチ33Tの内部に半導体層35を形成するととも
に、他方のトレンチ33Cの内部に第1電極36を形成
する。
【0014】次に、図4を参照してゲート絶縁膜の形成
工程を説明する。まず、第1ポリシリコン膜34の表面
を熱酸化処理し500オングストローム程度の膜厚を有
する二酸化シリコン膜37を形成する。次に、一方のト
レンチ33Tの部分をレジスト38でマスクした後、他
方のトレンチ33Cに形成された第1電極36に対し
て、Asイオンを注入しその抵効率を下げる。この時
のイオンインプランテーションの条件は加速エネルギー
を30keV に設定しドーズを5×1014/cm2 に設定し
た。レジスト38の除去後、LPCVD法を用いて窒化
シリコン膜を300オングストロームの厚みで堆積する
とともに、その表面を熱酸化処理し薄く20オングスト
ロームの膜厚で二酸化シリコン膜を形成する。この様に
して、三層構造を有するゲート絶縁膜39が得られた。
多層構造であるので耐圧特性が改善されている。
【0015】次に図5を参照して第2ポリシリコン膜の
形成工程を説明する。まず、ゲート絶縁膜39の表面に
対して全面的にLPCVD法を用いて第2ポリシリコン
膜40を堆積する。この時の厚みは例えば3500オン
グストロームであった。この第2ポリシリコン膜40の
上に、図示しないが燐のドーピングされたガラス(PS
G)を堆積する。加熱処理を行なって燐を第2ポリシリ
コン膜中に拡散させ低抵抗化を行なった。最後に、第2
ポリシリコン膜40をパタニングし一方のトレンチ33
Tに埋められたゲート電極41と、他方のトレンチ33
Cに埋められた第2電極42とを形成する。このパタニ
ングは、例えばCF4 とO2 の95対5混合気体を反応
ガスとして用いたプラズマエッチングにより行なわれ
る。この結果、トレンチ33Tの内部には、半導体層3
5、ゲート絶縁膜34、ゲート電極41からなる薄膜ト
ランジスタの基本構造が形成できる。一方、トレンチ3
3Cの内部には第1電極36、誘電体膜34、第2電極
42からなる付加容量56が形成される。
【0016】続いて、図6を参照して薄膜トランジスタ
のソース及びドレイン領域形成工程を説明する。まず、
トレンチ33Tの上部をレジスト43で被覆した後As
イオンを注入し低濃度でドーピングされたドレイン領
域を形成する。この時のイオンインプランテーションの
条件は加速エネルギーを160keV に設定しドーズを1
×1013/cm2 に設定した。所謂LDD構造とする事に
より短チャネル効果等を有効に防止できる。但し、本例
の場合にはトレンチ33Tの内壁部に沿ってチャネル長
を十分にとれるので必ずしもLDD構造とする必要はな
い。次に、より広いマスク面積を有するレジスト44を
介してAsイオンの注入を行ないN型のソース及びド
レイン領域を形成する。この時のイオンインプランテー
ションの条件は、加速エネルギーが140keV であり、
ドーズが2×1015/cm2 であった。この結果、トレン
チ33Tの部分にはNチャネル型の画素駆動用トランジ
スタが形成される。なお、基板上には駆動用トランジス
タの他に周辺回路も同時に形成される。この周辺回路は
CMOS構造を有するので、Pチャネル型トランジスタ
を形成する必要もある。この場合には、Bイオンをレ
ジスト膜45を介して注入する。この時の条件は、例え
ば加速エネルギーを30keV としドーズを2×1015
cm2 に設定する。この結果、半導体膜35の表面部には
P型のソース領域S及びドレイン領域Dが形成される。
【0017】次に図7を参照して、配線工程を説明す
る。まず、LPCVD法を用いて、PSGからなる第1
層間絶縁膜46をゲート絶縁膜39の上面に堆積する。
続いて、HFとNH4 Fの混合溶液を用いたウエットエ
ッチングにより第1層間絶縁膜46の選択的なパタニン
グを行ない、第1コンタクトホール47を形成する。こ
の後、スパッタリングを用いてアルミニウムあるいはシ
リコン等の導電膜48を形成する。その膜厚は例えば6
000オングストロームである。この結果、導電膜48
はコンタクトホール47を介してトランジスタ49のソ
ース領域Sに電気接続する。最後に、H3 PO4 とH2
Oの2対10混合溶液を用いたウエットエッチングによ
り導電膜48の電極パタニングを行ないソース線50を
形成する。
【0018】さらに図8を参照して第1ポリシリコン膜
34に対する水素拡散処理工程を説明する。まず、第1
層間絶縁膜46に重ねてPSGからなる第2層間絶縁膜
51をLPCVD法を用いて堆積する。次に、第2層間
絶縁膜51に重ねて水素拡散源52を形成する。この拡
散源52の形成は物理的化学気相成長法を用いてシリコ
ン窒化膜を例えば4000オングストロームの厚みに堆
積して行なう。このシリコン窒化膜は多量の水素原子を
含有している。加熱処理を施す事により、水素原子は第
2層間絶縁膜51、第1層間絶縁膜46、ゲート絶縁膜
39等を介して第1ポリシリコン膜34に拡散しトラッ
プを埋める。この結果、第1ポリシリコン膜34の電荷
移動度が向上する。最後に、不要になった水素拡散源5
2をプラズマエッチングにより全面的に除去する。
【0019】最後に、図9を参照して画素電極の形成工
程を説明する。まず、CF4 とO2 の95対5混合気体
を用いたプラズマエッチングあるいはHFとNF4 Fの
混合溶液を用いたウエットエッチングにより、第2コン
タクトホール53を形成する。続いて、400℃の成膜
温度でスパッタリングによりITO等からなる透明電極
膜54を1400オングストロームの膜厚で堆積する。
この結果、透明導電膜54の一部は第2コンタクトホー
ル53を介してトランジスタ49のドレイン領域Dに導
通する。最後に、HClとH2 OとNO3 の300対3
00対50混合溶液を用いて透明導電膜54のパタニン
グを行ない所定の形状及び面積を有する画素電極55が
得られる。
【0020】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、石
英基板よりもエッチングレートの高い絶縁膜を堆積して
二層構造とし、トレンチを形成する様にしている。この
為、従来に比しエッチング速度が速くなるとともに所定
の深さの溝を1回の処理で形成できる為スループットが
向上するという効果がある。この時、異方性エッチング
を用いてもエッチングレートが比較的高い為所望のテー
パ形状を有するトレンチが得られステップカバレッジが
良くなる。従って、段切れ等の故障を未然に防止する事
ができイールドレートが向上するという効果がある。加
えて、ポリシリコン層はテーパ面に沿って堆積されるの
で、固相成長の為の陽イオン注入が均一に行なえ電気的
特性の優れた半導体層が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる液晶表示装置の基本的な構造を
示す模式的な断面図である。
【図2】本発明の作用を説明する為の模式的な断面図で
ある。
【図3】本発明にかかる液晶表示装置の駆動用基板上に
トレンチを形成する為の工程を示す工程図である。
【図4】同じく、ゲート絶縁膜を形成する工程を示す工
程図である。
【図5】同じく、ゲート電極を形成する工程を示す工程
図である。
【図6】同じく、ソース及びドレイン領域を形成する工
程を示す工程図である。
【図7】同じく、配線電極を形成する工程を示す工程図
である。
【図8】同じく、半導体層に対する水素拡散処理工程を
示す工程図である。
【図9】同じく、画素電極の形成工程を示す工程図であ
る。
【図10】アクティブマトリクスタイプ液晶表示装置の
一般的な等価回路を示す回路図である。
【図11】従来の液晶表示装置駆動用基板の構造例を示
す断面図である。
【図12】従来のトレンチ形成工程を示す説明図であ
る。
【符号の説明】
1 基板 2 基板 3 液晶層 4 対向電極 5 画素電極 6 薄膜トランジスタ 7 付加容量 8 絶縁基材 9 透明絶縁膜 10 溝部 11 半導体層 12 ゲート絶縁膜 13 ゲート電極 14 第1層間絶縁膜 15 ソース線 16 第2層間絶縁膜 17 溝部 18 第1電極 19 誘電体膜 20 第2電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/1362 G02F 1/1343 H01L 29/78

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マトリクス状に配列された画素電極とこ
    の画素電極に接続された薄膜トランジスタと前記薄膜ト
    ランジスタを介して電荷を保持する為の付加容量とを備
    えた一方の基板と、対向電極を有し前記一方の基板と対
    向配置された他方の基板と、両方の基板間に挟持された
    液晶層とを備えた液晶表示装置において、前記一方の基
    板が絶縁基材とこの絶縁基材上に形成された絶縁膜とか
    らなるとともに、前記薄膜トランジスタは前記絶縁基材
    及び絶縁膜に形成された側面がテーパを有する溝部に沿
    って形成された半導体層と、この半導体層上に形成され
    たゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成され且つ
    前記溝部を埋める様に配置されたゲート電極とからなる
    事を特徴とする液晶表示装置。
  2. 【請求項2】 前記付加容量は、前記溝部と同時に一方
    の基板に形成された他の溝部の内壁に沿って形成された
    第1電極と、前記薄膜トランジスタのゲート絶縁膜と同
    一材料で形成され誘電体膜を介して設けられた前記薄膜
    トランジスタのゲート電極と同一材料の第2電極とで構
    成されている事を特徴とする請求項1記載の液晶表示装
    置。
  3. 【請求項3】 マトリクス状に配列された画素電極とこ
    の画素電極に接続された薄膜トランジスタと前記薄膜ト
    ランジスタを介して電荷を保持するための付加容量とを
    備えた一方の基板と、対向電極を有し前記一方の基板と
    対向配置された他方の基板と、両方の基板間に挟持され
    た液晶層とを備えた液晶表示装置において、前記一方の
    基板が絶縁基材とこの絶縁基材上に形成された絶縁膜と
    からなるとともに、前記付加容量は前記絶縁基材及び絶
    縁膜に形成された側面がテーパを有する溝部の内壁に沿
    って形成された第1の電極層と、この第1の電極層上に
    形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成され且つ
    前記溝部を埋める様に配置された第2の電極層とからな
    る事を特徴とする液晶表示装置。
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