KR100803565B1 - 액정 표시 장치용 어레이 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다결정 실리콘으로 이루어진 박막 트랜지스터를 포함하는 어레이 기판에 관한 것이다.
최근 액정 표시 장치가 대형화 및 고해상도화 됨에 따라 저저항 물질이 배선 재료로 요구되는데, 비저항이 비교적 작은 알루미늄이나 알루미늄 합금 물질을 배선 재료로 이용하더라도, 배선의 저항을 감소시키기 위해 두께를 일정 이상으로 두껍게 해야 한다. 이에 따라, 스텝 커버리지를 좋게 하기 위해서는 게이트 전극 상부의 층간 절연막 두께 또한 두껍게 해야 하므로, 공정이 길어지고 콘택홀 형성시 불량이 발생할 확률이 높은 문제가 있다.
본 발명에서는 구리를 게이트 전극 및 게이트 배선으로 이용하고 게이트 전극 및 게이트 배선에 붕소 이온을 주입하여, 게이트 전극 및 게이트 배선의 두께를 2,000 Å 이하로 형성할 수 있으며, 이에 따라 층간 절연막의 두께도 약 3,000 Å내지 4,000 Å 정도로 감소시킬 수 있다. 따라서, 층간 절연막의 증착 및 식각에 이용되는 시간을 줄일 수 있고, 식각시 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 붕소 이온에 의해 구리가 산화되는 것을 방지할 수 있다.
구리 배선, 신호 지연, 저저항
Description
도 1은 종래의 액정 표시 장치용 어레이 기판의 일부를 도시한 평면도.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 액정 표시 장치용 어레이 기판의 일부를 도시한 평면도.
도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 자른 단면도.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조 과정을 도시한 평면도.
본 발명은 액정 표시 장치용 어레이 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다결정 실리콘으로 이루어진 박막 트랜지스터를 포함하는 어레이 기판에 관한 것이다.
최근 정보화 사회로 시대가 급발전함에 따라 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 우수한 특성을 가지는 평판 표시 장치(Flat panel display device)의 필요성이 대두되었는데, 이 중 액정 표시 장치(Liquid crystal display device)가 해상도, 컬러표시, 화질 등에서 우수하여 노트북이나 데스크탑 모니터에 활발하게 적용되고 있다.
일반적으로 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정 물질을 주입한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써, 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.
액정 표시 장치의 하부 기판은 스위칭 소자인 박막 트랜지스터를 포함하는데, 일반적으로 박막 트랜지스터에 사용되는 액티브층은 비정질 실리콘(amorphous silicon ; a-Si:H)이 주류를 이루고 있다. 이는 비정질 실리콘이 저온에서 저가의 유리 기판과 같은 대형 기판 상에 형성하는 것이 가능하기 때문이다.
한편, 근래에 들어 다결정 실리콘(poly-Si)을 사용하는 박막 트랜지스터를 채용한 액정 표시 장치가 연구 및 개발되고 있다. 이러한 다결정 실리콘은 비정질 실리콘에 비해 전계효과 이동도가 100 내지 200 배 정도 더 크므로 응답 속도가 빠르고, 온도와 빛에 대한 안정성이 우수하다. 또한, 구동회로를 동일 기판 상에 형성할 수 있는 장점이 있다.
이와 같은 장점을 가지는 다결정 실리콘의 형성 방법은 다양하게 알려져 있는데, 일반적으로 다결정 실리콘을 형성하기 위해서 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)이나 저압 화학 기상 증착법(low pressure chemical vapor deposition)으로 비정질 실리콘을 증착한 후, 이를 다시 결정화하는 방법이 널리 사용되고 있다.
비정질 실리콘을 이용하여 다결정 실리콘을 형성하는 방법으로는 비정질 실리콘 박막에 기판 온도를 250℃ 정도로 가열하면서 엑시머 레이저를 가해서 성장시키는 레이저 열처리(laser annealing) 방법과, 비정질 실리콘 상에 금속을 증착하여 금속을 씨드로 다결정 실리콘을 형성하는 금속유도 결정화(metal induced crystallization : MIC) 방법, 비정질 실리콘을 고온에서 장시간 열처리하여 형성하는 고상 결정화(solid phase crystallization : SPC) 방법 등이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 다결정 실리콘을 이용한 박막 트랜지스터를 포함하는 어레이 기판에 대하여 설명한다.
도 1은 종래의 액정 표시 장치용 어레이 기판의 평면도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(10) 위에 실리콘 산화막으로 이루어진 버퍼층(buffer layer)(11)이 형성되어 있고, 그 위에 박막 트랜지스터의 액티브층(21)과 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역(22, 23)으로 이루어지는 다결정 실리콘층(21, 22, 23)이 형성되어 있다.
이어, 액티브층(21) 상부에는 실리콘 산화막으로 이루어진 게이트 절연막(30)과, 게이트 전극(42)이 형성되어 있으며, 게이트 전극(42)은 가로 방향으로 연장되어 있는 게이트 배선(41)과 연결되어 있다. 도시한 바와 같이 게이트 전극(42)은 알루미늄(aluminium)과 네오디뮴(neodymium)의 합금(AlNd)(42a)과 몰리브덴(Mo)(42b)의 이중층으로 이루어지며, 게이트 배선(41)도 같은 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 전극(42) 및 게이트 배선(41) 위에는 층간 절연막(50)이 형성되어 이들을 덮고 있고, 층간 절연막(50)은 소스 및 드레인 영역(22, 23)의 일부를 각각 드러내는 제 1 및 제 2 콘택홀(51, 52)을 가진다.
층간 절연막(50) 상부에는 금속과 같은 도전 물질로 소스 전극(62)을 포함하는 데이터 배선(61)과 드레인 전극(63)이 형성되어 있다. 여기서, 데이터 배선(61)은 세로 방향으로 연장되어 게이트 배선(41)과 교차함으로써 화소 영역을 정의하고, 소스 전극(62)은 데이터 배선(61)의 일부로 이루어지며, 드레인 전극(63)은 게이트 전극(42)을 중심으로 소스 전극(62)과 마주 대하고 있다. 소스 및 드레인 전극(62, 63)은 콘택홀(51, 52)을 통해 각각 소스 및 드레인 영역(22, 23)과 연결되어 있다.
이어, 보호층(70)이 기판(10) 전면에 걸쳐 형성되어 데이터 배선(61)과 소스 및 드레인 전극(62, 63)을 덮고 있으며, 보호층(70)은 제 2 콘택홀(52) 상부의 드레인 전극(63)을 드러내는 제 3 콘택홀(71)을 가진다.
보호층(70) 상부의 화소 영역에는 제 3 콘택홀(71)을 통해 드레인 전극(63)과 연결되어 있으며, 투명 도전 물질로 이루어진 화소 전극(81)이 형성되어 있다.
이와 같이, 다결정 실리콘을 액티브층으로 이용한 박막 트랜지스터는 전계 효과 이동도가 높아 응답 속도가 빠르며, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 액정 표시 장치에 이용할 경우에는 구동 회로를 동일 기판 위에 형성할 수 있으므로, 액 정 표시 장치의 제조 공정 및 비용을 감소시킬 수 있다.
한편, 최근에는 액정 표시 장치의 대형화 및 고해상도가 요구됨에 따라, 배선의 길이는 길어지고 그 폭은 좁아지게 되었다. 이에 따라 배선 저항이 증가하여 신호 지연과 같은 문제가 발생하므로, 이를 방지하기 위해 저저항 물질로 배선을 형성해야 한다.
따라서, 신호 지연을 방지하기 위해 앞서 언급한 바와 같이 비교적 비저항이 작은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 게이트 배선을 형성하였다.
그러나, 이와 같이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 게이트 배선을 형성하더라도, 신호 지연을 방지하기 위해 AlNd(도 2의 42a)를 약 3,000 Å 이상의 두께로 형성하여야 한다. 또한, 알루미늄은 화학 약품에 약하고 부식 등이 잘 일어나기 때문에 AlNd(42a) 상부에 몰리브덴(도 2의 42b)과 같이 내식성이 강한 물질을 약 500 Å 정도 더 형성해야 한다. 그러므로, 게이트 배선 및 게이트 전극의 두께는 약 3,500 Å 이상이 된다.
이러한 경우, 게이트 배선 및 게이트 전극 상부에 형성되는 층간 절연막의 스텝 커버리지(step coverage) 특성을 좋게 하기 위해서는 층간 절연막의 두께를 약 5,000 Å 정도로 해야 하기 때문에, 콘택홀 형성시 식각되는 두께 또한 크게 되어 식각 특성이 나빠지게 된다.
한편, 알루미늄은 알칼리 용액에 녹아 수소를 발생하는데, 게이트 전극은 감광막을 이용하여 노광 및 현상 후 식각하여 형성되고, 감광막의 현상시 사용되는 현상액(developer)의 pH는 11.5 내지 12의 값을 가지므로, 이러한 현상액에 의해 게이트 배선 및 게이트 전극이 쉽게 손상되어, 불량이 발생한다.
본 발명은 상기한 종래의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 신호 지연을 방지하고 제조 공정 및 제조 비용을 감소시킬 수 있는 액정 표시 장치용 어레이 기판을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 표시 장치용 어레이 기판에서는 기판 상부에 형성된 버퍼층이 형성되어 있고, 그 위에 다결정 실리콘으로 이루어진 액티브층 및 액티브층의 양측에 위치하며 붕소이온이 도핑된 다결정 실리콘으로 이루어진 소스 및 드레인 영역이 형성되어 있다. 이어, 액티브층 상부에는 게이트 절연막이 형성되어 있으며, 그 위에 붕소이온이 도핑된 구리로 이루어진 게이트 전극과 게이트 전극에 연결되고 제 1 방향으로 연장되어 있는 게이트 배선이 형성되어 있다. 게이트 전극 및 게이트 배선은 소스 및 드레인 영역을 각각 드러내는 제 1 및 제 2 콘택홀을 가지는 층간 절연막으로 덮여 있으며, 층간 절연막 상부에는 제 1 콘택홀을 통해 소스 영역과 접촉하며 제 2 방향으로 연장되어 있는 데이터 배선 및 데이터 배선과 같은 물질로 이루어지고 제 2 콘택홀을 통해 드레인 영역과 접촉하는 드레인 전극이 형성되어 있다. 이어, 데이터 배선 및 드레인 전극은 드레인 전극 상부에 제 4 콘택홀을 가지는 보호층으로 덮여 있고, 보호층 상부에는 투명 도전 물질로 이루어지고, 제 4 콘택홀을 통해 드레인 전극과 연결되어 있는 화소 전극이 형성되어 있다.
여기서, 게이트 전극 및 게이트 배선은 1,800 Å 내지 2,000 Å 의 두께를 가질 수 있으며, 층간 절연막은 3,000 Å 내지 4,000 Å의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에서 게이트 전극 및 게이트 배선은 구리 하부에 10 Å 내지 60 Å 두께의 티타늄을 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 상기 붕소이온의 소스물질은 삼플루오르화붕소(BF3) 또는 디보란(diborane : B2H6) 중의 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 붕소이온의 소스물질은 삼플루오르화붕소(BF3) 또는 디보란(diborane : B2H6) 중의 어느 하나일 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 구리를 게이트 전극 및 게이트 배선으로 이용하고 게이트 전극 및 게이트 배선에 붕소 이온을 주입하여, 게이트 전극 및 게이트 배선의 두께를 2,000 Å 이하로 형성할 수 있으며, 이에 따라 층간 절연막의 두께도 약 3,000 Å내지 4,000 Å 정도로 감소시킬 수 있다. 따라서, 층간 절연막의 증착 및 식각에 이용되는 시간을 줄일 수 있고, 식각시 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 붕소 이온에 의해 구리가 산화되는 것을 방지할 수 있다.
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이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 어레이 기판에 대하여 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치용 어레이 기판의 평면도 및 단면도로서, 도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 자른 단면에 해당한다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 기판(110) 위에 실리콘 산화막으로 이루어진 버퍼층(111)이 형성되어 있고, 그 위에 아일랜드(island) 형태를 가지는 다결정 실리콘층(121, 122, 123)이 형성되어 있다. 여기서, 다결정 실리콘층은 박막 트랜지스터의 액티브층(121)과 붕소(boron)가 도핑된 소스 및 드레인 영역(122, 123)으로 나누어진다.
이어, 액티브층(121) 상부에는 실리콘 산화막으로 이루어진 게이트 절연막(130)과, 게이트 전극(142)이 형성되어 있으며, 게이트 전극(142)은 가로 방향으로 연장되어 있는 게이트 배선(141)과 연결되어 있다. 여기서, 게이트 전극(142)은 티타늄(titanium)(142a)과 구리(copper : Cu)(142b)의 이중층 이루어지며, 게이트 배선(141)도 같은 물질로 이루어진다.
게이트 전극(142) 및 게이트 배선(141) 위에는 실리콘 산화막으로 이루어진 층간 절연막(150)이 형성되어 이들을 덮고 있고, 층간 절연막(150)은 소스 및 드레인 영역(122, 123)의 일부를 각각 드러내는 제 1 및 제 2 콘택홀(151, 152)을 가진다.
층간 절연막(150) 상부에는 금속과 같은 도전 물질로 소스 전극(162)을 포함하는 데이터 배선(161)과 드레인 전극(163)이 형성되어 있다. 여기서, 데이터 배선(161)은 세로 방향으로 연장되어 게이트 배선(141)과 교차함으로써 화소 영역을 정의하고, 소스 전극(162)은 데이터 배선(161)의 일부로 이루어지며, 드레인 전극(163)은 게이트 전극(142)을 중심으로 소스 전극(162)과 마주 대하고 있다. 소스 및 드레인 전극(162, 163)은 콘택홀(151, 152)을 통해 각각 소스 및 드레인 영역(122, 123)과 연결되어 있다.
이어, 보호층(170)이 기판(110) 전면에 걸쳐 형성되어 데이터 배선(161)과 소스 및 드레인 전극(162, 163)을 덮고 있으며, 보호층(170)은 제 2 콘택홀(152) 상부의 드레인 전극(163)을 드러내는 제 3 콘택홀(171)을 가진다.
보호층(170) 상부의 화소 영역에는 제 3 콘택홀(171)을 통해 드레인 전극(163)과 연결되어 있으며, 투명 도전 물질로 이루어진 화소 전극(181)이 형성되어 있다.
본 발명에 따른 어레이 기판에서는 구리를 게이트 전극 및 게이트 배선으로 이용하므로, 기존의 알루미늄을 사용한 경우보다 게이트 전극의 두께를 작게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 게이트 배선에 사용되는 구리의 두께를 2,000 Å 이하로 형성할 수 있다. 또한, 게이트 전극 상부의 층간 절연막의 두께도 약 3,000 Å내지 4,000 Å 정도로 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 층간 절연막의 증착 및 식각에 이용되는 시간을 줄일 수 있으며, 식각시 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 구리는 산화가 잘 되는 단점이 있는데, 최근 구리에 붕소를 주입하여 산화를 방지한 결과가 제시되었다. 따라서, 본 발명에서는 구리 하부에 티타늄을 약 10 Å 내지 60 Å 정도 형성하여 게이트 절연막에 의해 산화가 되는 것을 방지하고, 소스 및 드레인 영역 형성시 구리에 붕소를 주입함으로써 게이트 전극 상부의 층간 절연막에 의해 산화되는 것을 방지한다. 여기서, 티타늄막은 매우 얇은 두께를 가지므로 게이트 배선의 두께에 크게 영향을 미치지 않는다.
이러한 액정 표시 장치용 어레이 기판의 제조과정에 대하여 도 5a 내지 도 5f를 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 도 5a 내지 도 5f는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 자른 단면에 해당한다.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 기판(110) 위에 실리콘 산화막을 3,000 Å 정도 증착하여 버퍼층(111)을 형성하고, 그 위에 아일랜드 형태의 다결정 실리콘층(120)을 형성한다. 여기서, 다결정 실리콘층(120)은 비정질 실리콘을 500 Å 정도 증착한 다음, 앞서 언급한 바와 같은 방법으로 결정화시켜 사진 식각 공정 에 의해 패터닝함으로써 형성할 수 있다. 이때, 버퍼층(111)은 결정화시 기판(110) 상의 불순물이 실리콘층으로 유입되는 것을 방지한다.
이어, 도 5b에 도시한 바와 같이 실리콘 산화막과 티타늄층 및 구리를 각각 1,000 Å, 10 Å 내지 60 Å, 1,800 Å 내지 2,000 Å 정도 증착하고 패터닝하여 다결정 실리콘층(120) 상부에 게이트 절연막(130), 그리고 티타늄(142a)과 구리(142b)의 이중층으로 이루어진 게이트 전극(142)을 각각 형성한다. 이때, 게이트 전극(142) 형성시 게이트 배선(도시하지 않음)도 함께 형성된다.
이러한 구리는 스퍼터링과 같은 방법으로 증착되는데, 원료인 구리 타겟의 비용이 알루미늄이나 알루미늄 합금의 타겟보다 적으므로, 본 발명에서와 같이 구리를 이용하여 배선을 형성할 경우 제조 비용을 절감할 수 있다.
다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 다결정 실리콘층(도 5b의 120)에 붕소 이온을 주입하여 소스 및 드레인 영역(122, 123)을 형성한다. 여기서, 이온 주입시 사용되는 소스 물질로는 삼플루오르화붕소(BF3)나 디보란(diborane : B2H6)를 이용할 수 있으며, 게이트 전극(142)의 구리(142b)에도 붕소 이온이 주입된다.
다음, 도 5d에 도시한 바와 같이 실리콘 산화막을 약, 3,000 Å 내지 4,000 Å 정도 증착하여 층간 절연막(150)을 형성하고, 이를 패터닝하여 소스 및 드레인 영역(122, 123)을 각각 드러내는 제 1 및 제 2 콘택홀(151, 152)을 형성한다.
이어, 도 5e에 도시한 바와 같이 금속과 같은 물질을 증착하고 패터닝하여 소스 및 드레인 전극(162, 163)을 형성한다. 이때, 데이터 배선(도시하지 않음)도 함께 형성하며, 소스 및 드레인 전극(162, 163)은 제 1 및 제 2 콘택홀(151, 152)을 통해 소스 및 드레인 영역(122, 123)과 각각 접촉하도록 한다.
다음, 도 5f에 도시한 바와 같이 소스 및 드레인 전극(162, 163)이 형성되어 있는 기판(110) 상의 전면에 걸쳐 보호막(170)을 형성하고 패터닝하여 드레인 전극(163)을 드러내는 제 3 콘택홀(171)을 형성한 후, 그 위에 투명 도전 물질로 화소 전극(181)을 형성한다. 여기서, 보호층(170)은 하부 막에 의한 단차를 없애기 위해 유기 절연막과 같이 평탄화가 가능한 물질로 형성하는 것이 좋으며, 화소 전극(181)은 제 3 콘택홀(171)을 통해 드레인 전극(163)과 연결된다.
이와 같이 본 발명에서는 게이트 전극 물질로 구리를 이용하여, 게이트 배선의 두께를 얇게 함으로써 층간 절연막의 두께도 얇게 형성할 수 있으므로, 층간 절연막의 증착 및 식각에 이용되는 시간을 줄일 수 있으며, 식각시 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 소스 및 드레인 영역 형성시 구리에 붕소를 주입함으로써 게이트 전극 상부의 층간 절연막에 의해 게이트 산화되는 것을 방지할 수 있으며, 공정이 증가되지 않는다.
본 발명에 따른 어레이 기판에서는 구리를 게이트 전극 및 게이트 배선으로 이용하고 구리의 산화를 방지하기 위해 게이트 전극 및 게이트 배선에 붕소 이온을 주입함으로써, 게이트 전극 및 게이트 배선의 두께를 2,000 Å 이하로 형성할 수 있으며, 층간 절연막의 두께도 약 3,000 Å내지 4,000 Å 정도로 감소시킬 수 있다. 따라서, 층간 절연막의 증착 및 식각에 이용되는 시간을 줄일 수 있고, 식각시 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 구리 타겟의 비용이 알루미늄이나 알루미늄 합금의 타겟보다 적으므로 제조 비용을 절감할 수 있다.
Claims (5)
- 기판과;상기 기판 상부에 형성된 버퍼층과;상기 버퍼층 상부에 다결정 실리콘으로 이루어진 액티브층과;상기 액티브층의 양측에 위치하며 붕소이온이 도핑된 다결정 실리콘으로 이루어진 소스 및 드레인 영역과;상기 액티브층 상부에 형성되고 산화실리콘으로 이루어지는 게이트 절연막과;상기 게이트 절연막 상부에 형성되고, 티타늄으로 이루어지는 제 1층과 붕소이온이 도핑된 구리로 이루어며 상기 제 1층 상부에 형성되는 제 2층을 포함하는 게이트 전극과;상기 게이트 전극을 덮고 있으며, 상기 소스 및 드레인 영역을 각각 드러내는 제 1 및 제 2 콘택홀을 가지는 층간 절연막과;상기 층간 절연막 상부에 상기 제 1 콘택홀을 통해 상기 소스 영역과 접촉하는 소스 전극과;상기 제 2 콘택홀을 통해 상기 드레인 영역과 접촉하는 드레인 전극과;상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극을 덮고 있으며, 상기 드레인 전극 상부에 제 3 콘택홀을 가지는 보호층;상기 보호층 상부에 형성되고, 상기 제 3 콘택홀을 통해 상기 드레인 전극과 연결되어 있는 화소 전극을 포함하는 액정 표시 장치용 어레이 기판.
- 제 1 항에 있어서,상기 게이트 전극은 1,800 Å 내지 2,000 Å 의 두께를 가지는 액정 표시 장치용 어레이 기판.
- 제 2 항에 있어서,상기 층간 절연막은 3,000 Å 내지 4,000 Å의 두께를 가지는 액정 표시 장치용 어레이 기판.
- 제 3 항에 있어서,상기 게이트 전극의 제 1층은 10 Å 내지 60 Å 두께를 갖는 것이 특징인 액정 표시 장치용 어레이 기판.
- 제 1 항에 있어서,상기 붕소이온의 소스물질은 삼플루오르화붕소(BF3) 또는 디보란(diborane : B2H6) 중의 어느 하나인 액정 표시 장치용 어레이 기판.
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