KR20000050886A - 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

먼저 기판 위에 저저항 금속을 증착하고 사진 공정으로 패터닝하여 게이트 배선 및 공통 배선을 형성한다. 다음, 질화 규소로 이루어진 게이트 절연막과 비정질 규소로 이루어진 박막 트랜지스터의 반도체층을 형성한다. 이어, 크롬 등의 금속을 증착하고 사진 공정으로 패터닝하여 데이터 배선 및 화소 배선을 형성하고, 이들을 덮는 보호막을 형성한다. 이러한 액정 표시 장치의 제조 방법에서 있어서, 사진 공정에서는 노광 장치로 스테퍼(stepper)를 이용하는 노광 영역(shot)으로 나누어 분할 노광 공정을 실시하게 된다. 이때, 스티치 현상은 데이터선을 중심으로 양쪽 화소 배선의 기생 용량 변화량이 크면 나타나게 되므로 데이터선 양쪽의 기생 용량 변화량을 최소화하기 위해서는 분활 노광시 노광 영역의 경계선을 화소의 중앙부인 화소 배선 특히 화소 전극 사이를 지나가도록 한다. 이렇게 하면, 데이터선의 양쪽 화소 배선이 하나의 노광 영역에 속하게 되므로 기생 용량의 변화량을 최소로 줄일 수 있으며, 서로 이웃하는 화소의 기생 용량이 급격하게 변하지 않게 된다. 이때, 블랙 매트릭스는 화소 배선, 특히 공통 신호선과 중첩되어 유지 축전기를 이루는 유지 용량부의 화소 신호선을 가리지 않도록 형성하여 기생 용량을 최소화하는 것이 바람직하다.

Description

액정 표시 장치 및 그 제조 방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정 표시 장치는 전극이 형성되어 있는 두 장의 기판 사이에 액정을 주입하고, 전극에 가하는 전압의 세기를 조절하여 광 투과량을 조절하는 구조로 되어 있다.
이러한 액정 표시 장치에서 각각의 단위 화소에는 투명한 도전 물질로 이루어져 있으며, 표시 동작을 하는 화소 전극이 형성되어 있다. 이러한 화소 전극은 배선을 통하여 인가되는 신호에 의하여 구동되는데, 배선에는 서로 교차하여 단위 화소 영역을 정의하는 게이트선과 데이터선이 있으며, 이들 배선은 박막 트랜지스터 등의 스위칭 소자를 통하여 화소 전극과 연결되어 있다. 이때, 스위칭 소자는 게이트선으로부터의 주사 신호에 통하여 화소 전극에 전달되는 데이터선으로부터의 화상 신호를 제어한다. 또한, 화소 영역에 대응하는 부분에 개구부를 가지는 블랙 매트릭스가 그물 모양으로 형성되어 있으며, 화소 영역에 대응하는 부분에는 적, 녹, 청 색의 컬러 필터가 형성되어 있다. 여기서, 기준 전압은 공통 전극을 통하여 인가되며, 공통 전극과 화소 전극은 두 기판 각각에 형성할 수도 있으며, 하나의 기판에 모두 형성할 수도 있다. 또한, 각각의 화소에는 화소 전극과 중첩되어 화소 전극에 인가된 화상 신호를 다음 신호가 인가될 때까지 유지시켜 주는 유지 축전기가 형성되어 있다.
그러나, 이러한 액정 표시 장치의 제조 공정 중 사진 공정에서 노광 장치로 스테퍼(stepper)를 이용하는 경우에는 하나의 기판을 몇 개의 노광 영역(shot)으로 나누어 분할 노광 공정을 실시하게 되는데, 이때 오정렬이 발생하면 화소 전극과 데이터선 사이의 거리 또는 유지 축전기에서의 중첩된 면적이 노광 영역을 단위로 다르게 된다. 이로 인하여 노광 영역을 단위로 화소 전극과 데이터선 사이에서 발생하는 커플링 효과(coupling effect) 또는 유지 용량의 차이가 발생하여 노광 영역을 단위로 표시 특성이 다르게 나타나는 스티치 현상이 발생한다.
본 발명에 과제는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화소 배선을 통하여 형성되는 기생 용량을 최소화하여 화소 배선과 데이터선 사이에서 발생하는 커플링 효과의 차이를 줄여 스티치 현상이 무시할 수 있는 액정 표시 장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1a는 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 배치도이고,
도 1b는 도 1a에서 Ib - Ib' 선을 따라 절단한 단면도이고,
도 2a는 수평 전계 구동 방식의 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 배치도이고,
도 2b는 도 2a에서 IIb - IIb' 선을 따라 절단한 단면도이고,
도 3 내지 도 4c는 플로팅된 블랙 매트릭스와 화소 배선 사이에서 형성되는 기생 용량의 변화를 설명하기 위한 도면이고,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 배치도이고,
도 5b는 도 5a에서 Vb - Vb' 선을 따라 절단한 단면도이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 제조 방법을 도시한 배치도이다.
이러한 과제를 해결하기 위해서 본 발명에 따른 제조 방법에서는 패터닝 공정에서 분할 노광시 노광 영역의 경계선이 화소의 중앙부 또는 블랙 매트릭스의 개구부를 지나도록 마스크를 배치하거나 화소 배선이 블랙 매트릭스에 의해 가리지 않도록 형성한다.
이러한 액정 표시 장치의 제조 방법에서는, 우선 게이트선 및 게이트 전극으로 이루어진 게이트 배선과 공통 전극과 공통 신호선으로 이루어진 공통 배선을 형성하고, 박막 트랜지스터의 반도체층을 형성한다. 게이트선과 절연되어 교차하여 화소를 정의하는 데이터선과 소스 및 드레인 전극으로 이루어진 데이터 배선과 화소 신호선 및 화소 전극으로 이루어진 화소 배선을 형성하고, 화소에 대응하는 부분에 개구부를 가지는 블랙 매트릭스를 형성한다.
이러한 액정 표시 장치의 제조 방법에서, 다수의 막을 패터닝하기 위한 사진 공정에서는 복수의 영역으로 분할하여 노광하는 분할하는 방법을 사용하고, 데이터 배선 및 화소 배선 형성단계에서 분할된 노광 영역의 경계선은 화소의 중앙부를 지나도록 한다.
이때, 노광 영역의 경계선은 개구부를 지니도록 형성하는 것이 바람직하며, 블랙 매트릭스는 화소 배선을 가리지 않도록 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 액정 표시 장치에는, 절연되어 교차하여 화소를 정의하는 게이트선 및 데이터선이 형성되어 있으며, 화소에는 서로 일정한 간격을 두고 마주하며 공통 신호 및 데이터 신호가 각각 전달되는 선형의 공통 전극 및 화소 전극이 형성되어 있다. 공통 전극과 연결되어 있으며, 상기 공통 신호를 전달하는 공통 신호선과 공통 신호선과 중첩되어 유지 축전기를 이루며, 화소 전극에 데이터 신호를 전달하는 화소 신호선이 형성되어 있고, 화소에 대응하는 부분에 개구부를 가지며, 화소 신호선과 중첩되지 않은 블랙 매트릭스가 형성되어 있다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법의 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.
액정 표시 장치 중에서는, 전계를 형성하는 두 전극이 각각의 기판에 형성되어 있으며, 기판에 대하여 수평으로 배열된 동시에 하나의 기판으로부터 다른 기판에 이르기까지 비틀린 액정 분자를 기판에 수직한 전계를 통하여 구동하는 비틀린 네마틱 방식 액정 표시 장치가 있다. 또한, 하나의 기판에 서로 마주하여 형성되어 있는 선형의 두 전극을 통하여 두 기판에 대하여 거의 평행한 횡 전계를 형성하여 기판에 평행하게 배향된 액정 분자를 구동하는 수평 전계 구동 방식 액정 표시 장치가 있다.
먼저, 비틀린 네마틱 방식 및 수평 전계 구동 방식의 액정 표시 장치의 구조에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 비틀린 네마틱 방식의 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 배치도이고, 도 1b는 도 1a에서 Ib - Ib' 선을 따라 절단한 단면도이다.
게이트 전극(21)을 포함하는 게이트선(20)으로 이루어진 게이트 배선이 투명한 절연 기판(100) 위에 가로 방향으로 형성되어 있다. 또한, 게이트 배선 중에서 게이트선(20)의 일부는 다른 부분보다 넓게 형성되어 유지 용량 배선(22)으로 형성되어 있다. 여기서, 유지 용량 배선은 별도의 배선으로 추가할 수 있으며, 화소의 둘레에 링 모양으로 형성할 수도 있다.
게이트 배선(20, 21) 및 유지 용량용 배선(22) 위에는 게이트 절연층(30)이 형성되어 있다.
게이트 전극(21) 상부의 게이트 절연층(30) 위에는 수소화된 비정질 규소(a-Si:H)층(40)이 형성되어 있다. 여기에서, 비정질 규소층(40)은 박막 트랜지스터의 반도체층이며, 비정질 규소층(40)의 상부에 비정질 규소층(40)과 금속 전극의 접촉 저항을 줄이기 위한 접촉 저항층을 추가로 할 수 있다.
게이트 절연층(30) 위에는 또한 게이트선(20)과 교차하여 화소를 정의하는 데이터선(50)이 세로로 형성되어 있다. 여기서, 게이트선(20)을 지나는 데이터선(50)의 분지는 박막 트랜지스터의 소스 전극(51)이며, 게이트 전극(21)에 대하여 소스 전극(51)의 맞은 편에는 박막 트랜지스터의 드레인 전극(52)이 형성되어 있다.
데이터 배선(50, 51, 52) 및 이 데이터 배선으로 가려지지 않은 비정질 규소층(40) 위에는 보호막(70)이 형성되어 있으며, 이 보호막(70) 위에는 접촉 구멍을 통하여 드레인 전극(52)과 연결되어 있으며 ITO 등의 투명한 도전 물질로 만들어진 화소 전극(60)이 형성되어 있다.
한편, 하부 기판(100)과 마주하는 상부 기판(200)에는 화소에 대응하는 부분에 개구부가 형성되어 있는 블랙 매트릭스(80)가 형성되어 있으며, ITO로 이루어진 공통 전극(90)이 전면적으로 형성되어 있다.
이러한 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에서 데이터선(50)과 화소 전극(60) 사이의 거리를 4 μm 정도로 형성하여 커플링 효과로 인한 기생 용량을 측정한 결과 0.013 ~ 0.018 pF 정도의 범위로 측정되었다.
한편, 수평 전계 구동 방식의 액정 표시 장치의 구조에 대하여 설명하기로 한다.
도 2a는 수평 전계 구동 방식의 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 배치도이고, 도 2b는 도 2a에서 IIb - IIb' 선을 따라 절단한 단면도이다.
대부분의 구조는 도 1a 및 도 1b의 구조와 유사하다.
그러나, 기판(100) 위에 게이트선(20)과 평행하며, 공통 신호가 인가되는 공통 신호선(23)이 형성되어 있으며, 공통 신호선(23)으로부터 세로 방향으로 뻗어 공통 신호가 전달되는 선형의 공통 전극(24)이 형성되어 있다.
또한, 게이트 절연막(30) 위에는 공통 신호선(23)과 중첩되어 유지 축전기를 이루며 드레인 전극(52)과 연결되어 있는 화소 신호선(53)이 형성되어 있고, 화소 신호선(53)으로부터 세로 방향으로 뻗어 있는 화소 전극(54)이 공통 전극(24) 사이에 각각 형성되어 있다.
이러한 액정 표시 장치에서는 데이터선(50)과 화소 전극(54) 사이의 거리가 상당히 멀기 때문에 커플링 용량으로 인한 스티치 현상은 발생하지 않을 것으로 예상했었다. 그러나, 비틀린 네마틱 액정 표시 장치에서 발생하는 기생 용량 정도로 발생하는 것으로 나타났다. 실제로 화소 전극(54)과 데이터선(50) 사이의 거리를 20 μm으로 설정하고 커플링으로 인한 기생 용량을 측정한 결과 0.011 ~ 0.023 pF로 측정되었다. 오히려 비틀린 네마틱 액정 표시 장치보다 크게 나타났으며, 이는 화소 신호선(53)과 중첩되어 있는 플로팅된 블랙 매트릭스(80)가 공통 배선(23, 24), 게이트 배선(20, 21)과 같은 다른 배선과도 중첩되어 기생 용량이 연속적으로 발생하기 때문이다. 다른 배선으로 인하여 화소 배선(53, 54)과 블랙 매트릭스(80) 사이에서 발생하는 기생 용량의 변화에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3 내지 도 4c는 플로팅된 블랙 매트릭스와 화소 배선 사이에서 형성되는 기생 용량의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서 도면 부호 80은 플로팅된 블랙 매트릭스이고, 도면 부호 23은 화소 배선이고, 10은 화소 배선의 주변에 형성되어 있는 주변 금속막을 나타낸다. A 축전기를 용량은 a이고, B 축전기의 용량은 b이고, C 축전기의 용량은 c이다.
도 3에서 보는 바와 같이, A 축전기와 서로 병렬로 연결된 B+C 축전기를 직렬로 연결되어 있다. 여기서, 발생 총 기생 용량을 계산하면,
[a × (b + c)] / (a + b + c)
가 된다.
이때, (b + c)가 a 비하여 대단히 크다면,
[a × (b + c)] / (a + b + c) ≒ a
이다.
즉, 플로팅된 블랙 매트릭스(80)가 A 축전기의 한 단자로 사용되는 경우와 유사한 용량이 측정된다.
실제로, 도 4a에서 보는 바와 같이, 화소 배선(53)의 폭은 10 μm이고, 길이는 3,000 μm으로 형성하고, ITO로 이루어진 전극(82)을 형성한 경우에는 0.55 pF 정도의 기생 용량이 측정되었다.
이와 달리 도 4b에서 보는 바와 같이, 주변 금속막(10)을 추가하고, 플로팅된 블랙 매트릭스(80)를 형성하는 경우에는 도 4a와 유사하게 0.52 pF 정도의 기생 용량이 측정되었다.
한편, 도 4c에서 보는 바와 같이, 화소 배선(53)을 블랙 매트릭스(80)와 중첩되지 않도록 형성하는 경우에는 0.01 pF 정도의 기생 용량이 측정되었다.
따라서, 화소 배선(53)을 블랙 매트릭스(80)와 중첩되지 않도록 형성하면, 화소 배선(53)을 하나의 단자로 형성되는 기생 축전기의 용량을 최소화할 수 있으며, 화소 배선(53)과 주변 금속막(10) 사이에서 발생하는 커플링 효과도 최소화할 수 있다. 이렇게 하면, 오정렬이 발생하더라도 커플링 효과에 따른 기생 용량의 변화량을 최소로 줄일 수 있다.
다음은 앞에서 언급한 구조를 가지는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시한 배치도이고, 도 5b는 도 5a에서 Vb - Vb' 선을 따라 절단한 단면도이다.
투명한 하부 절연 기판(100) 위에 가로 방향으로 게이트선(200)이 형성되어 있고, 게이트선(200)의 일부는 게이트 전극(210)이 된다. 또한, 게이트선(200)에 인접하게는 게이트선(200)과 평행하게 공통 신호선(230)이 형성되어 있으며, 화소에는 공통 신호선(230)의 분지로 뻗어 있으며 공통 신호선(240)으로부터 공통 신호를 전달받는 서로 평행한 다수의 공통 전극(240)이 세로 방향으로 형성되어 있다.
게이트 배선(200, 210) 및 공통 배선(230, 240) 위를 질화 규소 등으로 이루어진 게이트 절연막(300)이 덮고 있다.
게이트 전극(210)의 게이트 절연막(300) 위에는 반도체인 비정질 규소로 이루어진 박막 트랜지스터의 반도체층(400)이 형성되어 있다.
여기서, 비정질 규소층(400) 위에 인(P) 등이 고농도 도핑된 비정질 규소로 이루어진 저항 접촉층을 더 포함할 수 있다.
비정질 규소층(400) 위에는 게이트 전극(210)을 중심으로 분리되어 있는 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)이 형성되어 있다. 소스 전극(510)에는 세로 방향으로 뻗어 게이트선(200)과 화소를 정의하는 데이터선(500)이 연결되어 있으며, 드레인 전극(520)에는 가로 방향으로 뻗어 공통 신호선(230)과 중첩되어 유지 축전기를 이루는 화소 신호선(530)이 연결되어 있다. 또한, 화소 신호선(530)에는 화소 신호선(530)의 분지로 뻗어 있으며 화소 신호선(530)으로부터 데이터 신호를 전달받는 서로 평행한 선형의 화소 전극(540)이 세로 방향으로 형성되어 공통 전극(240)과 마주하고 있다.
한편, 하부 기판(100)과 마주하는 상부 기판(200)에는 화소에 대응하는 부분에 개구부를 가지는 블랙 매트릭스(800)가 형성되어 있으며, 블랙 매트릭스(800)를 덮는 보호막(900)이 형성되어 있다. 이때, 블랙 매트릭스(800)는 하부 기판(100)의 화소 배선(530, 540), 특히 공통 신호선(230)과 중첩되어 유지 축전기를 이루는 유지 용량부를 가리지 않도록 형성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 구조에서는 화소 배선(530, 540)으로 인하여 형성되는 기생 용량을 줄임으로써 화소 배선(530, 540)과 데이터선(500) 사이에서 발생하는 커플링 효과를 최소화할 수 있다. 그러면, 오정렬이 발생하더라도 커플링 효과로 인한 기생 용량의 차이가 별로 발생하지 않기 때문에 표시 특성의 저하를 방지할 수 있다.
이러한 액정 표시 장치의 제조 방법에서는, 먼저 기판(100) 위에 알루미늄 등의 저저항 금속을 증착하고 사진 공정으로 패터닝하여 게이트 배선(200, 210) 및 공통 배선(230, 240)을 형성한다. 다음, 질화 규소로 이루어진 게이트 절연막(300)과 비정질 규소, 도핑된 비정질 규소를 차례로 증착하고 도핑된 비정질 규소층과 비정질 규소층을 함께 패터닝하여 박막 트랜지스터의 반도체층(400)을 형성한다.
이어, 도 6에서 보는 바와 같이, 크롬 등의 금속을 증착하고 사진 공정으로 패터닝하여 데이터 배선(500, 510, 520) 및 화소 배선(530, 540)을 형성하고, 이들을 덮는 보호막(700)을 형성한다.
이러한 액정 표시 장치의 제조 방법에서 있어서, 사진 공정에서는 노광 장치로 스테퍼(stepper)를 이용하는 노광 영역(shot)으로 나누어 분할 노광 공정을 실시하게 된다. 이때, 스티치 현상은 커플링 효과의 차이로 인한 기생 용량의 차이가 작더라도 데이터선(500)을 중심으로 양쪽 화소 배선(530, 540)의 기생 용량 변화량이 크면 나타나게 된다. 따라서, 데이터선(500) 양쪽의 기생 용량 변화량을 최소화하기 위해서는 분활 노광시 노광 영역의 경계선(S)을 도 6에서 보는 바와 같이 화소의 중앙부인 화소 배선(530, 540) 특히 화소 전극(540) 사이를 지나가도록 한다. 이렇게 하면, 데이터선(500)의 양쪽 화소 배선(530, 540)이 하나의 노광 영역에 속하게 되므로 기생 용량의 변화량을 최소로 줄일 수 있으며, 서로 이웃하는 화소의 기생 용량이 급격하게 변하지 않게 된다. 또한, 노광 영역의 경계선(S)이 플로팅된 블랙 매트릭스(도시하지 않음)로 가려지지 않는 위치하므로 오정렬이 발생하더라도 커플링 효과로 인한 기생 용량 자체도 최소로 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에서는 화소 배선을 플로팅된 블랙 매트릭스에 가리지 않도록 형성하거나 분할 노광의 경계선을 화소 배선의 중앙에 형성함으로써 커플링 효과로 인한 기생 용량 및 그의 변화량을 최소화할 수 있다. 이로 인하여 오정렬이 발생하더라도 스티치 현상을 줄일 수 있어 표시 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 게이트선 및 게이트 전극으로 이루어진 게이트 배선과 공통 전극과 공통 신호선으로 이루어진 공통 배선을 형성하는 단계,
    박막 트랜지스터의 반도체층을 형성하는 단계,
    상기 게이트선과 절연되어 교차하여 화소를 정의하는 데이터선과 소스 및 드레인 전극으로 이루어진 데이터 배선과 화소 신호선 및 화소 전극으로 이루어진 화소 배선을 형성하는 단계,
    상기 화소에 대응하는 부분에 개구부를 가지는 블랙 매트릭스를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 단계 중 적어도 하나의 단계에서 막을 패터닝하기 위하여 패터닝하기 위한 영역을 복수의 노광 영역으로 분할하여 노광하는 방법을 사용하고,
    상기 데이터 배선 및 상기 화소 배선 형성단계에서 상기 패터닝하기 위한 노광 영역의 경계선은 상기 화소의 중앙부를 지나도록 분할 노광하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 노광 영역의 경계선은 상기 개구부를 지나는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 블랙 매트릭스를 상기 화소 배선을 가리지 않도록 형성하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
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