KR101030526B1 - 액정 표시 장치의 배선 형성 방법 및 이를 이용한 액정표시 장치의 제조 방법 - Google Patents

액정 표시 장치의 배선 형성 방법 및 이를 이용한 액정표시 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배선을 구리 합금층으로 형성하고, 이를 열처리하여 구리층의 상하부에 배리어층을 자연적으로 형성함으로써, 저항 특성을 개선하고 접착성을 개선시킨 액정 표시 장치의 배선 형성 방법 및 이를 이용한 액정 표시 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 액정 표시 장치의 배선 형성 방법은 기판 상에 구리/아연(Cu/Zn) 합금층 또는 구리/티타늄(Cu/Ti)으로 이루어진 금속 배선을 형성하는 단계 및 상기 금속 배선을 열처리하여 상기 금속 배선의 상하부에 각각 아연(Zn) 확산층 또는 티타늄 확산층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
구리, 구리 합금, 배리어 금속, Ti, Zn, 배선, 확산, 부착성

Description

액정 표시 장치의 배선 형성 방법 및 이를 이용한 액정 표시 장치의 제조 방법{Method for Forming Line of Liquid Crystal Display Device and method of Manufacturing Liquid Crystal Using the same}
도 1은 종래의 액정 표시 장치를 나타낸 분해사시도
도 2는 도 1의 I~I' 선상의 구조 단면도
도 3은 종래의 액정 표시 장치의 금속 배선을 나타낸 개략적인 단면도
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 액정 표시 장치의 배선 형성 방법을 나타낸 공정 단면도
도 5는 본 발명의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도
도 6은 도 5의 Ⅱ~Ⅱ' 및, Ⅲ~Ⅲ' 선상의 구조 단면도
도 7은 금속별 구리 도펀트 전하차에 따른 저항 변화를 나타낸 도표
도 8은 금속별 녹는 점에 따른 해당 열 에너지 변화를 나타낸 도표
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
40 : 기판 41 : 구리 합금층
41a ; 하부 확산층 41b : 구리층
41c : 상부 확산층 51 : 게이트 라인
51a : 게이트 전극 52 : 데이터 라인
52a, 52b : 소오스/드레인 전극 53 : 화소 전극
54 : 게이트 절연막 55 : 반도체층
55a : 비정질 실리콘층 55b : n+층
56 : 보호막 61 : 게이트 패드
62 : 데이터 패드 63a : 제 1 투명 전극
63b : 제 2 투명 전극
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로 특히, 배선을 구리 합금층으로 형성하고, 이를 열처리하여 구리층의 상하부에 배리어(barrier)층을 자연적으로 형성함으로써, 저항 특성을 개선하고 부착성(adhesion)을 개선시킨 액정 표시 장치의 배선 및 이를 이용한 액정 표시 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 표시 장치에 대한 요구도 다양한 형태로 점증하고 있으며, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등 여러 가지 평판 표시 장치가 연구되어 왔고, 일부는 이미 여러 장비에서 표시 장치로 활용되고 있다.
그 중에, 현재 화질이 우수하고 경량, 박형, 저소비 전력의 특징 및 장점으로 인하여 이동형 화상 표시 장치의 용도로 CRT(Cathode Ray Tube)를 대체하면서 LCD가 가장 많이 사용되고 있으며, 노트북 컴퓨터의 모니터와 같은 이동형의 용도 이외에도 방송 신호를 수신하여 디스플레이하는 텔레비젼 및 컴퓨터의 모니터 등으로 다양하게 개발되고 있다.
이와 같은 액정 표시 장치가 일반적인 화면 표시 장치로서 다양한 부분에 사용되기 위해서는 경량, 박형, 저 소비 전력의 특징을 유지하면서도 고정세, 고휘도, 대면적 등 고품위 화상을 얼마나 구현할 수 있는가에 관건이 걸려 있다고 할 수 있다.
일반적인 액정 표시 장치는, 화상을 표시하는 액정 패널과 상기 액정 패널에 구동 신호를 인가하기 위한 구동부로 크게 구분될 수 있으며, 상기 액정 패널은 일정 공간을 갖고 합착된 제 1, 제 2 유리 기판과, 상기 제 1, 제 2 유리 기판 사이에 주입된 액정층으로 구성된다.
여기서, 상기 제 1 유리 기판(TFT 어레이 기판)에는 일정 간격을 갖고 일 방향으로 배열되는 복수개의 게이트 라인과, 상기 각 게이트 라인과 수직한 방향으로 일정한 간격으로 배열되는 복수개의 데이터 라인과, 상기 각 게이트 라인과 데이터 라인이 교차되어 정의된 각 화소 영역에 매트릭스 형태로 형성되는 복수개의 화소 전극과 상기 게이트 라인의 신호에 의해 스위칭되어 상기 데이터 라인의 신호를 각 화소 전극에 전달하는 복수개의 박막 트랜지스터가 형성된다.
그리고, 제 2 유리 기판(칼라 필터 기판)에는, 상기 화소 영역을 제외한 부분의 빛을 차단하기 위한 블랙 매트릭스층과, 칼라 색상을 표현하기 위한 R, G, B 칼라 필터층과 화상을 구현하기 위한 공통 전극이 형성된다.
상기 일반적인 액정 표시 장치의 구동 원리는 액정의 광학적 이방성과 분극 성질을 이용한다. 액정은 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 갖고 있으며, 인위적으로 액정에 전기장을 인가하여 분자 배열의 방향을 제어할 수 있다.
따라서, 상기 액정의 분자 배열 방향을 임의로 조절하면, 액정의 분자 배열이 변하게 되고, 광학적 이방성에 의하여 상기 액정의 분자 배열 방향으로 빛이 굴절하여 화상 정보를 표현할 수 있다.
현재에는 박막 트랜지스터와 상기 박막 트랜지스터에 연결된 화소 전극이 행렬 방식으로 배열된 능동 행렬 액정 표시 장치(Active Matrix LCD)가 해상도 및 동영상 구현 능력이 우수하여 가장 주목받고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 액정 표시 장치의 배선 및 액정 표시 장치의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 액정 표시 장치를 나타낸 분해사시도이며, 도 2는 도 1의 I~I' 선상의 구조 단면도이다.
도 1 및 도 2와 같이, 종래의 액정표시장치는, 크게 일정 공간을 갖고 합착된 제 1 기판(1) 및 제 2 기판(2)과, 상기 제 1 기판(1)과 제 2 기판(2) 사이에 주입된 액정층(3)으로 구성되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 제 1 기판(1)에는 화소 영역(P)을 정의하기 위하여 일정한 간격을 갖고 일방향으로 형성된 복수개의 게이트 라인(4)과, 상기 게이트 라인(4)에 수직한 방향으로 일정한 간격을 갖고 형성된 복수개의 데이터 라 인(5)이 배열된다. 그리고, 상기 각 화소 영역(P)에는 화소 전극(6)이 형성되고, 상기 각 게이트 라인(4)과 데이터 라인(5)이 교차하는 부분에 박막 트랜지스터(T)가 형성되어 상기 박막트랜지스터가 상기 게이트 라인의 신호에 따라 상기 데이터 라인의 데이터 신호를 상기 각 화소 전극에 인가한다.
그리고, 상기 제 2 기판(2)에는 상기 화소 영역(P)을 제외한 부분의 빛을 차단하기 위한 블랙 매트릭스층(7)이 형성되고, 상기 각 화소 영역에 대응되는 부분에는 색상을 표현하기 위한 R,G,B 칼라 필터층(8)이 형성되고, 상기 칼라 필터층(8)위에는 화상을 구현하기 위한 공통 전극(9)이 형성되어 있다.
상기와 같은 액정 표시 장치는 상기 화소 전극(6)과 공통 전극(9) 사이의 전계에 의해 상기 제 1, 제 2 기판 사이에 형성된 액정층(3)이 배향되고, 상기 액정층(3)의 배향 정도에 따라 액정층(3)을 투과하는 빛의 양을 조절하여 화상을 표현할 수 있다.
좀 더 자세히 설명하면, 종래의 액정 표시 장치는 일정 공간을 갖고 합착된 제 1 기판(1) 및 제 2 기판(2)과, 상기 제 1 기판(1)과 제 2 기판(2) 사이에 주입된 액정층(3)으로 구성되어 있다.
상기 제 1 기판(1) 상에는 수직으로 교차하여 화소 영역을 정의하는 복수개의 게이트 라인(4, 도 1 참조) 및 데이터 라인(5, 도 1 참조)과, 상기 게이트 라인(4)들과 데이터 라인(5)들이 교차하는 각 화소 영역에 형성된 화소 전극(6)들과, 상기 각 게이트 라인(4)과 데이터 라인(5)이 교차하는 부분에 형성된 박막 트랜지스터(T)를 포함하여 이루어진다.
상기 박막 트랜지스터(T)는 게이트 전극(11a), 소정의 폭으로 상기 게이트 전극(11a)의 상부를 덮는 반도체층(14)과, 상기 게이트 전극(11a)의 양측에 대응되어 형성된 소오스/드레인 전극(12a, 12b)으로 이루어진다. 여기서, 상기 반도체층(14)은 비정질 실리콘층(14a)과, 상부와 채널 영역에 대응되는 부분이 제거된 n+층(14b)을 적층하여 이루어진다.
이러한, 종래의 액정 표시 장치는 다음과 같은 공정으로 이루어진다.
먼저, 상기 제 1 기판(1) 상에 Mo, Al 또는 Cr 등과 같은 금속물질을 스퍼터링 방법으로 전면 증착한 다음 제 1 마스크(미도시)를 통해 패터닝하여 복수개의 게이트 라인(4) 및 상기 게이트 라인(4)들에서 돌출되는 형상으로 게이트 전극(11a)을 형성한다.
이어, 상기 게이트 라인(4)들을 포함한 제 1 기판(1) 상에 SiNx 등의 절연물질을 전면 증착하여 게이트 절연막(13)을 형성한다.
이어, 상기 게이트 절연막(13) 상에 상기 게이트 전극(11a)을 덮는 형상으로 반도체층(14)을 형성한다. 여기서 상기 반도체층(14)은 상기 게이트 절연막(13) 상에 비정질 실리콘(amorphous silicon)층(14a), 인(P)이 고농도로 도핑된 n+층(14b)을 연속 증착한 다음 제 2 마스크(미도시)를 통해 상기 n+층(14b), 비정질 실리콘층(14a)을 동시에 패터닝하여 형성한다.
이어, Mo, Al 또는 Cr 등과 같은 금속물질을 스퍼터링 방법으로 전면 증착한 다음 제 3 마스크(미도시)를 이용하여 패터닝하여 데이터 라인(5) 및 상기 게이트 전극(11a) 양측에 소오스 전극(12a), 드레인 전극(12b)을 형성한다. 여기서, 상기 소오스 전극(12a)은 상기 데이터 라인(5)에서 돌출되어 형성된 것이며, 상기 드레인 전극(12b)은 이와 소정 간격 이격되어 형성된 것이다. 이러한 금속 패터닝 공정에서, 상기 소오스 전극(12a), 드레인 전극(12b) 하부에 n+층(14b)까지 오버 에칭(over etching)이 이뤄지게 하여, 상기 n+층(14b)이 상기 게이트 전극(11a) 상부에서 제거되도록 한다. 따라서, 상기 비정질 실리콘층이 상기 게이트 전극(11a) 상부에서 노출되는 데, 그 노출 부위가 박막 트랜지스터(T)의 채널 영역으로 정의되는 영역이다. 여기서, 상기 비정질 실리콘층(14a)과, n+층(14b)으로 이루어진 것이 반도체층(14)이다.
이어, 상기 반도체층(14)을 포함하여 소스 전극(12a)과 드레인 전극(12b) 및 데이터 라인(12)이 형성된 게이트 절연막(13) 상에 화학 기상 증착(chemical vapor deposition : CVD) 방식을 통해 SiNx 재질의 보호막(passivation film, 15)을 전면 증착한다. 이러한 보호막(15)의 재료로는 주로 SiNx 등의 무기물질 또는 BCB(BenzoCycloButene), SOG(Spin On Glass) 또는 Acryl 등의 유전율이 낮은 유기물질이 사용되고 있다.
이어, 제 4 마스크(미도시)를 통해 상기 드레인 전극(12b) 상의 보호막(15) 일부를 선택적으로 식각하여 드레인 전극(12b)의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성한다.
이어, 상기 보호막(15) 상에 상기 콘택홀을 충분히 매립하도록 투명 전극물질을 스퍼터링하여 증착한 다음, 제 5 마스크(미도시)를 통해 패터닝하여 화소 영역에 화소 전극(6)을 형성한다.
상기 제 1 기판(1)과 대향되는 상기 제 2 기판(2) 상에는 화소 영역을 제외한 부분(게이트 라인 및 데이터 라인 영역, 박막 트랜지스터 영역)의 빛을 차단하기 위한 블랙 매트릭스층(7)을 형성하고, 상기 화소 영역에 대응되어 칼라 색상을 표현하기 위한 R, G, B 칼라 필터층(8)을 형성하고, 상기 블랙 매트릭스층(7)과 칼라 필터층(8)을 포함한 제 2 기판(2) 전면에 공통전극(9)을 형성한다.
이어, 상기 제 1, 제 2 기판(1, 2)이 서로 대향되는 최상면에 각각 제 1, 제 2 배향막(21, 22)을 형성한다.
이와 같이, 제 1 기판(1)과 제 2 기판(2) 각각의 어레이 공정을 완료한 후, 제 1 기판(1) 또는 제 2 기판(2) 중 일 기판에 스페이서(30)를 산포하고, 타 기판의 액티브 영역 주위에 액정 주입구를 제외한 영역에 씰 패턴(미도시)을 인쇄(Printing) 또는 디스펜싱(Dispensing)한 후, 상기 제 1, 제 2 기판(1, 2)을 적절히 가압하여 합착한다.
이어, 상기 합착된 제 1, 제 2 기판(1, 2)을 패널 단위로 절단한다.
이어, 상기 액정 주입구를 통해 액정을 주입하여 액정 패널을 형성한다.
이어, 상기 액정 패널과 구동부 및 백 라이트 유닛을 조합하여 액정 표시 장치를 완성한다.
이러한 액정 표시 장치의 배선, 즉, 게이트 라인이나 데이터 라인 등은 다음과 단일 배선 형태로 증착되기도 하지만, 다음과 같이, 하부에 배리어 금속막을 구비한 형태로 증착되어 접촉면과의 저항 개선 효과를 얻고 있다.
이하, 배리어 금속막과 일체형의 형성된 금속 배선을 도면을 통해 자세히 살 펴본다.
도 3은 종래의 액정 표시 장치의 금속 배선을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 3과 같이, 종래의 액정 표시 장치의 금속 배선은 기판(1) 상에 얇은 두께로 배리어 금속막(31)을 전면 형성한 후, 상기 배리어 금속막(31) 상부에 금속막(32)을 상대적으로 두꺼운 두께로 형성한다. 이 때, 배리어 금속막 및 금속막 형성 공정은 모두 스퍼터링(sputtering) 공정으로 이루어지며, 각각 배리어 금속막, 금속막에 대해 별도의 공정으로 이루어진다.
여기서, 액정 표시 장치 모델별로 다르겠지만, 상기 배리어 금속막(31)이나 금속막(32)의 스퍼터링(sputtering) 두께는 각각 약 100Å, 1500~2500Å 정도이다.
이어, 도시되어 있지 않지만, 상기 금속막(32) 상부에 감광막을 전면 도포한 후, 이를 노광 및 현상하여 감광막 패턴을 형성하고, 상기 감광막 패턴을 마스크로 하여 금속막(32) 및 배리어 금속막(31) 일체형의 금속 배선을 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 금속 배선은 게이트 라인이나 데이터 라인 혹은 공통 라인이 될 것이다.
상기 배리어 금속막(31)으로는 티타늄(Ti)이나 몰리브덴(Mo)을 이용하며, 상기 금속막(32)으로는 구리(Cu)를 이용한다. 이는 전도율, 가격, 패터닝(patterning)성을 모두 고려하여 이용되는 것이다.
이와 같이, 실제 금속 배선으로 이용되는 구리(Cu) 성분의 금속막(32) 하부에 티타늄(Ti) 또는 몰리브덴(Mo) 성분의 배리어 금속막(31)을 형성하는 이유는 다음과 같다.
첫째, 배선의 부착성(adhesion)이 좋아진다. 특히, 구리(Cu)는 단독으로는 기판에 잘 붙지 않고 떨어지는 특성이 있는데, 보다 기판과의 부착성이 좋은 상기 티타늄 또는 몰리브덴 배리어 금속막이 직접 기판의 계면과 닿아있기 때문에 배선의 부착성이 개선된다.
둘째, 상기 구리 성분의 금속막과 일체형으로 티타늄 또는 몰리브덴 성분의 배리어 금속막을 배선으로 형성하게 되면, 그 상부 또는 배선 사이에 형성되는 SiNx 등의 절연막과의 접착력이 강화된다. 이는, 상기 구리 금속막 하부에 형성되는 티타늄 또는 몰리브덴의 배리어 금속막이 확산 현상에 의해 일부 성분이 절연막과의 계면측으로 이동하여, 계면간의 접착력이 개선되기 때문이다.
셋째, 단일 구리 배선에 비해 구리 금속막/티타늄 또는 몰리브덴 배리어 금속막의 일체형 배선은 화소 전극(ITO)과의 콘택 영역에 콘택 저항을 개선시킬 수 있다.
넷째, 소오스/드레인 전극으로 상기 구리 금속막/티타늄 또는 몰리브덴 배리어 금속막의 일체형 배선을 이용할 때, 소오스/드레인 전극 중 하부의 티타늄 또는 몰리브덴 배리어 금속막은 n+ 층이 상부의 금속막으로 확산하는 것을 방지하는 확산 방지막 기능을 할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 액정 표시 장치의 배선은 다음과 같은 문제점이 있다.
아무리 작은 두께의 배리어 금속막을 형성한다 하더라도, 배선의 주를 이루 는 구리 배선 형성을 위한 스퍼터링 공정과는 별개로 반드시 별도의 스퍼터링 공정을 진행하여야 했다.
따라서, 배리어 금속막과 금속막 각각의 스퍼터 챔버가 별도로 더 구비되어야 하고, 또한, 각 스퍼터링 공정을 진행시 별도의 스퍼터링 재료가 공급되어야 했다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 배선을 구리 합금층으로 형성하고, 이를 열처리하여 구리층의 상하부에 배리어층을 자연적으로 확산시켜 형성함으로써, 저항 특성을 개선하고 부착성을 개선시킨 액정 표시 장치의 배선 형성 방법 및 이를 이용한 액정 표시 장치의 제조 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 표시 장치의 배선 형성 방법은 기판 상에 구리/아연(Cu/Zn) 합금층으로 이루어진 금속 배선을 형성하는 단계 및 상기 금속 배선을 열처리하여 상기 금속 배선의 상하부에 각각 아연(Zn) 확산층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
상기 구리/아연 합금층의 아연 함량은 0.5at% 내지 10at%이다.
상기 열처리 온도는 200℃ 내지 400℃이다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정 표시 장치의 배선 형성 방법은 기판 상에 구리/티타늄(Cu/Ti) 합금층으로 이루어진 금속 배선을 형성하는 단계 및 상기 금속 배선을 열처리하여 상기 금속 배선의 상하부에 각각 티타늄(Ti) 확산층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 또 다른 특징이 있다.
상기 구리/티타늄 합금층의 티타늄 함량은 0.3at% 내지 5at%이다.
상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃이다.
한편, 상술한 액정 표시 장치의 배선 형성 방법을 이용한 본 발명의 액정 표시 장치의 제조 방법은 기판 상에 구리 합금층으로 이루어진 게이트 라인 및 상기 게이트 라인에서 돌출되는 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 라인 및 게이트 전극을 열처리하여 상기 게이트 라인의 상하부에 상기 구리 합금층에 포함된 구리이외의 금속의 확산층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 라인 및 게이트 전극을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 라인과 교차하며 상기 구리 합금층으로 이루어진 데이터 라인과, 상기 데이터 라인에서 돌출되는 소오스 전극 및 이와 소정 간격 이격된 드레인 전극을 형성하는 단계와, 상기 데이터 라인, 소오스 전극 및 드레인 전극을 열처리하는 단계와, 상기 드레인 전극의 일부를 노출하는 보호막을 형성하는 단계 및 상기 드레인 전극과 전기적으로 연결되는 화소 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
상기 구리 합금층은 구리/아연 합금층이다.
상기 구리/아연 합금층의 아연 함량은 0.5at% 내지 10at%이다.
상기 구리/아연 합금층의 열처리 온도는 200℃ 내지 400℃이다.
상기 구리 합금층은 구리/티타늄 합금층이다.
상기 구리/티타늄 합금층의 티타늄 함량은 0.3at% 내지 5at%이다.
상기 구리/티타늄 합금층의 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 액정 표시 장치의 배선 형성 방법 및 이를 이용한 액정 표시 장치의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 액정 표시 장치의 배선 형성 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 4a와 같이, 본 발명의 액정 표시 장치의 배선 형성 방법은 먼저 기판(40) 상에 구리 합금층(41)을 1500Å 내지 2500Å의 두께로 증착한다.
여기서, 상기 구리 합금층(41)은 구리/아연(Cu/Zn) 합금층 또는 구리/티타늄(Cu/Ti) 합금층이다.
구리/아연 합금층의 경우, 전체 금속 성분 중 아연(Zn)층의 함량은 0.5at% 내지 10at% 함량으로 첨가하며, 구리/티타늄 합금층의 경우 전체 금속 성분 중 티타늄(Ti)의 함량은 0.3at% 내지 5at% 함량으로 한다.
도 4b와 같이, 증착된 구리 합금층(41)을 열처리하여 상기 구리 합금층 상하부 계면에 산화층(41a, 41c)을 형성한다. 이 때, 상기 산화층(41a, 41c)은 구리 합금층(41)에 합금된 금속, 즉, 아연이나 티타늄 성분과 대기 중의 산소(O2)의 반응층(ZnOx, TiOx)이다.
여기서, 열처리 온도는 각각 형성된 구리 합금층(41)이 구리/아연층일 경우는 200℃ 내지 400℃이며, 구리/티타늄층일 경우 300℃ 내지 500℃로 한다.
이와 같이, 열처리를 통해 구리 합금층(41)에 합금된 성분을 상하부로 확산 시켜 산소와의 반응층을 형성하게 되면 배리어 금속막을 형성한 것과 동일하게 계면 특성이 개선된다. 즉, 구리 합금층(41)을 열처리할 경우, 다음과 같은 효과를 예상할 수 있다.
첫째, 배선의 부착성(adhesion)이 좋아진다. 특히, 구리는 단독으로는 기판에 잘 붙지 않고 떨어지는 특성이 있는데, 확산을 통해 구리 합금층(41)의 상하부로 아연 또는 티타늄이 산소와 반응하여 기판과의 부착성이 좋은 아연 산화막(ZnOx) 또는 티타늄 산화막(TiOx)의 산화막을 형성하기 때문에 배선의 부착성이 개선된다.
둘째, 상기 구리 합금층(41)을 배선으로 형성하게 되면, 그 상부 또는 배선 사이에 형성되는 SiNx 등의 절연막과의 접착력이 강화된다. 이는, 상기 구리 합금층(41)에 소량 포함된 아연 성분 또는 티타늄 성분이 열처리시 확산되어 절연막과의 계면측으로 이동하여, 산화막을 형성하게 되어 계면간의 접착력이 개선되기 때문이다.
셋째, 소오스/드레인 전극을 구리 합금층(41)으로 형성할 때, 투명 전극 성분의 화소 전극과 콘택되는 드레인 전극 상부에 열처리 후 합금 금속의 확산 현상에 의한 금속 산화막이 위치하여 단일 구리 배선에 비해 콘택 저항을 개선시킬 수 있다.
넷째, 소오스/드레인 전극을 상기 구리 합금층(41)으로 형성할 때, 소오스/드레인 전극 중 하부로 확산된 금속 산화막은 n+ 층이 상부의 구리 금속막으로 확산하는 것을 방지하는 확산 방지막 기능을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 액정 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
도 5와 같이, 본 발명의 액정 표시 장치의 각 화소에는 서로 종횡으로 교차하여 화소 영역을 정의하는 게이트 라인(51)과 데이터 라인(52)과, 상기 게이트 라인(51)과 데이터 라인(52)의 교차부에 형성된 박막 트랜지스터와, 상기 화소 영역에 형성되는 투명한 화소 전극(53)으로 이루어진다.
여기서, 상기 박막 트랜지스터는 상기 게이트 라인(51)을 통해 주사신호가 인가되는 게이트전극(51a)과, 상기 게이트 전극(51a)의 소정 부분에 걸쳐 형성된 반도체층(55)과, 상기 데이터 라인(52)에 일부 돌출되어 데이터 라인(52)으로부터 화상 신호를 받는 소오스 전극(52a)과, 상기 소오스 전극(52a)과 소정 간격 이격되어 화상 신호를 상기 화소 전극(53)에 인가하는 드레인 전극(52b)으로 이루어진다.
상기 반도체층(55)은 상술한 바와 같이, 박막 트랜지스터 부위에서는 게이트 전극(51a)의 일부분과 오버랩되도록 형성되어 있다.
상기 드레인 전극(52b)은 상기 화소 전극(53)과 제 1 콘택홀(C1)에서 전기적으로 연결된다.
상기 게이트 라인(51)과 데이터 라인(52)이 연장된 끝단에는 각각 구동IC(미도시)와 연결되는 게이트 패드(61)와 데이터 패드(62)가 구성된다. 여기서, 상기 게이트 패드(61)는 화소 전극과 동일한 성분의 투명 전극의 게이트 패드 단자(63a)와 제 2 콘택홀(C2)을 통해 전기적으로 연결되며, 상기 데이터 패드(62)는 투명 전극 성분의 데이터 패드 단자(63b)와 제 3 콘택홀(C3)을 통해 전기적으로 연결된다.
여기서, 게이트 패드(61)는 상기 게이트 라인(51)에서 연장된 일측 단부에 게이트 라인(51)보다 넓은 면적으로 형성되며, 마찬가지로, 데이터 패드(62)는 상기 데이터 라인(52)에서 연장된 일측 단부에 데이터 라인(52)보다 넓은 면적으로 형성된다.
상기 화소 전극(53)은 화소 영역을 포함하여 화소 영역 양측의 게이트 라인(51) 및 데이터 라인(52)과 일부 오버랩되어 형성된다.
도 6은 도 5의 Ⅱ~Ⅱ' 및, Ⅲ~Ⅲ' 선상의 구조 단면도이다.
이하, 도 6을 참조하여 액정표시장치용 어레이기판의 제조공정을 간략히 설명한다.
여기서, Ⅱ~Ⅱ'는 데이터 라인(D-Line)으로부터 박막 트랜지스터(TFT)의 단면이고, Ⅲ~Ⅲ'는 게이트 패드의 단면이다.
먼저, 투명한 기판(40) 상에 구리/아연 합금층 또는 구리/티타늄 합금층의 구리 합금층(도 4a의 41참조)을 증착한 후, 이를 열처리하여 상기 구리 합금층 상하부에 각각 금속 산화막(41a, 41c)을 형성한다.
이어, 상기 구리 합금층(41)을 제 1 마스크(미도시)를 이용하여 패터닝하여, 소정면적으로 넓게 구성되는 게이트 패드(61)와 상기 게이트 패드(61)에서 일 방향으로 연장된 게이트 라인(51)과 상기 게이트 라인(51)에서 소정 방향으로 돌출 형성된 게이트 전극(51a)을 형성한다.
이어, 상기 게이트 라인(51)을 포함한 제 1 기판(40) 전면에 게이트 절연막(54), 비정질 실리콘층(55a), 불순물층(n+층)(55b)을 증착한다.
이어, 제 2 마스크(미도시)를 이용하여 반도체층(55) 형성부에 상기 불순물 층(n+층)(55b), 비정질 실리콘층(55a)을 남기도록 패터닝한다.
이어, 게이트 라인과 동일한 금속인 구리 합금층(도 4a의 41 참조)을 스퍼터링 방법으로 전면 증착한 다음, 이를 열처리하여 도 4b와 같이, 구리 배선(41) 상하부에 금속 산화막(41a, 41b)을 형성한다.
이어, 제 3 마스크(미도시)를 이용하여 소정면적으로 넓게 구성되는 데이터 패드(62)와 상기 데이터 패드(62)에서 일 방향으로 연장된 데이터 라인(52)과, 상기 게이트 전극(51a) 양측에 소오스 전극(52a), 드레인 전극(52b)을 형성한다. 여기서, 상기 소오스 전극(52a)은 상기 데이터 라인(52)에서 돌출되어 형성된 것이며, 상기 드레인 전극(52b)은 이와 소정 간격 이격되어 형성된 것이다. 이러한 금속 패터닝 공정에서, 채널 부위에 해당되는 상기 소오스 전극(52a), 드레인 전극(52b) 하부에 n+층(55b)까지 오버 에칭(over etching)이 이뤄지게 하여, 상기 n+층(55b)이 상기 게이트 전극(51a) 상부에서 제거되도록 한다. 따라서, 상기 비정질 실리콘층이 상기 게이트 전극(51a) 상부에서 노출되는 데, 그 노출 부위가 박막 트랜지스터(T)의 채널 영역으로 정의되는 영역이다. 여기서, 상기 비정질 실리콘층(55a)과, n+층(55b)으로 이루어진 것이 반도체층(55)이다.
이어, 상기 반도체층(55)을 포함하여 소오스 전극(52a)과 드레인 전극(52b) 및 데이터 라인(52)이 형성된 게이트 절연막(54) 상에 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 방식을 통해 SiNx 재질의 보호막(passivation film, 56)을 전면 증착한다. 이러한 보호막(56)의 재료로는 주로 SiNx 등의 무기물질 또는 BCB(BenzoCycloButene), SOG(Spin On Glass) 또는 Acryl 등의 유전율이 낮은 유기 물질이 사용되고 있다.
이어, 제 4 마스크(미도시)를 통해 상기 드레인 전극(52b) 상의 보호막(56) 일부를 선택적으로 식각하여 드레인 전극(52b)의 일부를 노출시키는 제 1 콘택홀(C1) 및 게이트 패드(61)를 노출하는 제 2 콘택홀(C2), 데이터 패드(62)를 노출하는 제 3 콘택홀(C3)을 형성한다.
이어, 상기 보호막(56) 상에 상기 콘택홀을 충분히 매립하도록 투명 전극물질을 스퍼터링하여 증착한 다음, 제 5 마스크(미도시)를 통해 패터닝하여 화소 영역에 화소 전극(53)을 형성하고, 상기 게이트 패드(61)에는 게이트 패드 단자(63a)를, 상기 데이터 패드(62)에는 데이터 패드 단자(도 5의 63b 참조)를 형성한다.
이와 같이, 어레이 기판의 제조 공정을 완료한다.
이하에서는, 상기 구리 합금층에 포함되는 금속을 아연(Zn) 또는 티타늄(Ti)으로 한정한 이유를 살펴본다.
도 7은 금속별 구리 도펀트(Copper-dopant) 전하차(Charge difference)에 따른 저항 변화를 나타낸 도표이며, 도 8은 금속별 녹는점에 따른 해당 열 에너지 변화를 나타낸 도표이다.
도 7 및 도 8은, 구리와의 합금되는 적절한 금속을 찾기 위해, 각각 금속별 구리 도펀트(Cu+)와의 전하차에 따른 저항 변화나 금속별 녹는점 및 해당 열 에너지 변화를 도표를 통해 나타낸 것으로서, 각 도표에서 살펴볼 때, 저항 변화가 작은 금속일수록 구리와 합금하였을 때, 저항 증가로 인한 역효과가 나타나지 않으며, 녹는점(melting point)이 낮고 용융시의 에너지 변화가 작은 금속일수록 합금 이 용이하게 이루어질 수 있는 금속이다.
도 7과 같이, 저항 변화가 작은 금속일수록 구리와 소정의 금속을 합금시 저항이 낮아, 합금으로 인한 저항 변화에 의한 영향이 없으며, 합금으로 인한 접촉 저항 개선 효과 등을 예상할 수 있다. 예를 들어, 구리 도펀트와의 전하차가 1인 금속에 대해 약 1μΩ·cm/at% 이하의 저항 변화를 갖는 금속이, 합금으로 인한 악효과를 배제한 개선 효과를 기대할 수 있다.
여기서, 구리 도펀트 전하차는 구리와의 합금시 각 금속의 전하 차로 인한 반응 정도를 나타낸다. 즉, 합금 금속으로 동일한 양이 포함되었을 때, 구리 도펀트와의 전하차가 3인 금속은, 구리 도펀트와의 전하차가 1인 금속에 비해 3배 이상의 합금 반응이 이루어짐을 의미한다.
이와 같이, 구리 도펀트(Cu+)와의 전하차가 2이상이 되는 금속은 상대적으로 구리 도펀트와의 전하차가 1인 금속에 대해 해당 전하차 수만큼 나눈 양만으로 구리와 합금 반응시켜도 동일한 양의 구리에 대해 합금 반응이 일어날 수 있다. 즉, 구리 도펀트와의 전하차가 1인 금속 중 저항 변화가 약 1μΩ·cm/at% 이하의 금속과, 구리 도펀트와의 전하차가 2인 금속 중 저항 변화가 약 2μΩ·cm/at% 이하의 금속 및 구리 도펀트와의 전하차가 3인 금속 중 저항 변화가 약 3μΩ·cm/at% 이하의 금속과는 합금시 유사한 저항 변화가 나타남을 알 수 있다. 따라서, 구리 도펀트와의 전하차가 1인 Pd, Mg, Be, Zn, Cd 등의 금속과 구리 도펀트와의 전하차가 2인 Ga, Al, In과 구리 도펀트와의 전하차가 3인 Ph, Ti, Mn , Sn, Zr 금속은 합금시 유사한 저항 변화가 일어난다.
이와 같이, 합금시 안정적인 저항 변화 수준에 있는 금속 중 금속의 패터닝시 유해물 발생이나, 가격, 패터닝성, 도전율을 고려할 때, 적절한 금속은 Zn, Al, Ti 의 금속이 될 것이다.
도 8과 같이, 금속이 대기 상태에 있을 때, 산소 원자와의 반응시 1 산소 원자(Oxygen atom)에 대해 대략 200Kcal 내외의 열에너지를 방출하며 반응한다. 이 경우, 1 산소원자와의 반응시 방출하는 열에너지가 클수록 대기 상태에서 금속 산화 반응이 왕성한 것이다.
한편, 실제 금속의 녹는점은 3000℃ 이상도 가능할 수 있겠지만, 가능한한 낮은 온도에서 용융이 가능하여야 구리와의 합금시 분위기를 용이하게 조성할 수 있을 것이다.
따라서, 저항 변화 및 녹는점 및 산소원자와의 반응 열에너지를 모두 살펴보면, Zn, Al, Ti, Mg, Mn, Be 등의 금속이 각 조건에 맞는 적절한 금속이 될 것이다. 그런데, 이 중, Al은 패터닝시 패턴 유지성이 희박하고, Mg, Be 금속은 도전율이 나쁘거나 패터닝시 유해물질이 발생한다는 문제점이 있다.
따라서, Zn과 Ti이 최종적으로 가장 구리에 합금되는 금속으로 적당하다.
여기서, Zn(이하, 아연)이 구리에 합금될 경우는 아연(Zn)이 저항 변화가 거의 없으므로, 합금으로 이루어진 배선이 순수한 금속 배선에 비해 저항 증가가 거의 없으며, 또한, 구리 합금막 중에 열처리를 통해 빠르게 확산이 이루어진다. 그리고, 대기 상태에서 구리 합금막의 계면에서 아연 산화막(ZnOx)이 용이하게 형성되며, 상기 아연 산화막은 화학적으로 안정하며, 전도성이므로 그 상부에 콘택되는 배선과 접촉 저항이 개선된다.
Ti(이하, 티타늄)이 구리에 합금될 경우는 티타늄(Ti)은 다소 저항 변화가 큰 편으로, 상대적으로 구리 도펀트에 비해 전하차가 작은 금속에 비해 미량 첨가한다. 이 때, 미량 포함시켜도 구리 도펀트에 비해 전하차가 작은 금속과 거의 동일 수준의 저항 변화를 얻을 수 있다. 티타늄은 확산 효과가 큰 금속으로, 합금 후 열처리를 통해 상기 티타늄 성분을 구리 합금막 상하부로 이동시킨다. 이 때, 합금 금속이 과다할 경우, 티타늄 성분이 구리 합금막의 상하부를 통해 빠져나가도록 하여 구리 합금막의 배선의 저항을 적정 수준으로 확보할 수 있다.
이러한 구리/티타늄 금속막은 이미 실험을 통해 전도성을 가지면서 화학적으로 안정된 금속으로 인정된 바 있다.
상기와 같은 본 발명의 액정 표시 장치의 구리 합금 배선 및 이를 이용한 액정 표시 장치의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 합금 금속을 첨가시 저항 변화가 낮은 금속과 산소 원자와의 반응율이 큰 금속으로 이용함으로써, 구리와의 합금시 구리 고유의 저저항을 유지하여 고품질의 배선을 형성하고, 또한, 배리어 금속막을 사용하였을 때의 효과를 모두 얻을 수 있다.
둘째, 금속 배선 증착 공정을 배리어 금속막 기능을 하는 성분을 구리에 합금 성분으로 포함시켜 기판 상에 1회 스퍼터링하여 진행하는 것으로, 배리어 금속막과 금속막을 하나의 스퍼터링 장비를 통해 1회의 스퍼터링 공정을 통해 진행할 수 있으므로, 공정이 단순화되며, 장비의 사용을 줄일 수 있다.
셋째, 배리어 금속막/금속막 순의 이층 구조가 아니라 1층의 구리 합금막으로 증착하여 배선을 형성함으로써, 기존에 비해 재료비가 절감되어 코스트 다운(cost down) 효과를 얻을 수 있다.
넷째, 구리 합금막을 이용하여 단독 구리 배선에 비해 기판과 구리 합금막간의 부착력을 개선할 수 있다.
다섯째, 구리 합금막 형성 후 열처리하여 전도성을 가진 합금된 금속막의 산화막을 구리 합금막의 상하부에 형성하여, 구리 합금막 상부에 위치할 금속 배선과의 접촉 저항을 개선할 수 있다.
여섯째, 구리 합금막 형성 후 열처리하여 전도성을 가진 합금된 금속의 산화막을 구리 합금막의 상하부에 형성하여, 구리 합금막 상부에 위치하는 절연막과의 접촉 저항 및 부착력을 개선할 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에, 1회 스퍼터링하여 아연 함량을 0.5 at% 내지 10at%로 하는 구리/아연(Cu/Zn) 합금층으로 이루어진 금속 배선을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 배선을 열처리하여 상기 금속 배선의 상하부에 각각 아연(Zn) 확산층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 배선 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 200℃ 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 배선 형성 방법.
  4. 기판 상에, 1회 스퍼터링하여 티타늄 함량을 0.3at% 내지 5at%로 하는 구리/티타늄(Cu/Ti) 합금층으로 이루어진 금속 배선을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 배선을 열처리하여 상기 금속 배선의 상하부에 각각 티타늄(Ti) 확산층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 배선 형성 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 배선 형성 방법.
  7. 기판 상에, 1회 스퍼터링하여, 아연 함량을 0.5at% 내지 10at%로 하는 구리/아연(Cu/Zn) 합금층 또는 티타늄 함량을 0.3at% 내지 5at%로 하는 구리/티타늄(Cu/Ti) 합금층으로, 게이트 라인 및 상기 게이트 라인에서 돌출되는 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 라인 및 게이트 전극을 열처리하여 상기 게이트 라인의 상하부에 상기 구리 합금층에 포함된 구리 이외의 아연 또는 티타늄의 확산층을 형성하는 단계;
    상기 게이트 라인 및 게이트 전극을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
    상기 게이트 라인과 교차하며, 1회 스퍼터링하여 티타늄 함량을 0.3at% 내지 5at%로 하는 구리/티타늄(Cu/Ti) 합금층으로, 데이터 라인과, 상기 데이터 라인에서 돌출되는 소오스 전극 및 상기 소오스 전극과 이격된 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 데이터 라인, 소오스 전극 및 드레인 전극을 열처리하는 단계;
    상기 드레인 전극의 일부를 노출하는 보호막을 형성하는 단계; 및
    상기 드레인 전극과 전기적으로 연결되는 화소 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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