액정표시장치 및 그 제조방법 document_id A220623029390

본 발명은 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마스크수를 감소시켜 제조공정을 단순화하고 수율을 향상시키는 동시에 개구율을 확보하여 휘도를 향상시킨 액정표시장치의 제조방법에 관한 것이다. 최근의 정보화 사회에서 디스플레이는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 더 한층 강조되고 있으며, 향후 주요한 위치를 점하기 위해서는 저소비전력화, 박형화, 경량화, 고화질화 등의 요건을 충족시켜야 한다. 현재 평판 디스플레이(Flat Panel Display; FPD)의 주력 제품인 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 디스플레이의 이러한 조건들을 만족시킬 수 있는 성능뿐만 아니라 양산성까지 갖추었기 때문에, 이를 이용한 각종 신제품 창출이 급속도로 이루어지고 있으며 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT)을 점진적으로 대체할 수 있는 핵심부품 산업으로서 자리 잡았다. 일반적으로, 액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 액정셀들에 화상정보에 따른 데이터신호를 개별적으로 공급하여, 상기 액정셀들의 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 표시할 수 있도록 한 표시장치이다. 상기 액정표시장치에 주로 사용되는 구동 방식인 능동 매트릭스(Active Matrix; AM) 방식은 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(Amorphous Silicon Thin Film Transistor; a-Si TFT)를 스위칭소자로 사용하여 화소부의 액정을 구동하는 방식이다. 상기 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 기술은 1979년 영국의 LeComber 등에 의하여 개념이 확립되어 1986년에 3“ 액정 휴대용 텔레비전으로써 실용화되었고 최근에는 50” 이상의 대면적 박막 트랜지스터 액정표시장치가 개발되었다. 특히, 상기 비정질 실리콘 박막 트랜지스터는 저온 공정이 가능하여 저가의 절연기판을 사용할 수 있기 때문에 활발히 이용되고 있다. 그러나, 상기 비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 전기적 이동도(～1cm2/Vsec)로는 1MHz 이상의 고속 동작을 요구하는 주변회로에 이용하는데는 한계가 있다. 이에 따라 전계효과 이동도(field effect mobility)가 상기 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에 비해 큰 다결정 실리콘(Polycrystalline Silicon; poly-Si) 박막 트랜지스터를 이용하여 유리기판 위에 화소부와 구동회로부를 동시에 집적하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 기술은 1982년에 액정 컬러 텔레비전이 개발된 이후로 캠코더 등의 소형 모듈에 적용하고 있으며, 낮은 감광도와 높은 전계효과 이동도를 가지고 있어 구동회로를 기판에 직접 제작할 수 있다는 장점이 있다. 이동도의 증가는 구동 화소수를 결정하는 구동회로부의 동작 주파수를 향상시킬 수 있으며 이로 인한 표시장치의 고정세화가 용이해진다. 또한, 화소부의 신호 전압의 충전 시간의 감소로 전달 신호의 왜곡이 줄어들어 화질 향상을 기대할 수 있다. 또한, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 높은 구동 전압(～25V)을 갖는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에 비해 10V 미만에서 구동이 가능하므로 전력 소모를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 이하, 도 1을 참조하여 액정표시장치의 구조에 대해서 자세히 살펴본다. 도 1은 일반적인 액정표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 평면도로서, 어레이 기판에 구동회로부를 집적시킨 구동회로 일체형 액정표시장치를 나타내고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 액정표시장치는 크게 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 및 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 사이에 형성된 액정층(미도시)으로 이루어져 있다. 상기 어레이 기판(10)은 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배열된 화상표시 영역인 화소부(35)와 상기 화소부(35)의 외곽에 위치한 데이터 구동회로부(31)와 게이트 구동회로부(32)로 구성된 구동회로부(30)로 이루어져 있다. 이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 어레이 기판(10)의 화소부(35)는 상기 기판(10) 위에 종횡으로 배열되어 복수개의 화소영역을 정의하는 복수개의 게이트라인과 데이터라인, 상기 게이트라인과 데이터라인의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터 및 상기 화소영역에 형성된 화소전극으로 구성된다. 상기 박막 트랜지스터는 화소전극에 신호전압을 인가하고 차단하는 스위칭소자로 전계에 의하여 전류의 흐름을 조절하는 일종의 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET)이다. 상기 어레이 기판(10)의 구동회로부(30)는 상기 컬러필터 기판(5)에 비해 돌출된 어레이 기판(10)의 화소부(35) 외곽에 위치하는데, 상기 돌출된 어레이 기판(10)의 일측 장(長)변에 데이터 구동회로부(31)가 위치하며, 상기 돌출된 어레이 기판(10)의 일측 단(短)변에 게이트 구동회로부(32)가 위치하게 된다. 이때, 상기 데이터 구동회로부(31)와 게이트 구동회로부(32)는 입력되는 신호를 적절하게 출력시키기 위하여 인버터(inverter)인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 박막 트랜지스터를 사용하게 된다. 참고로, 상기 CMOS는 고속 신호처리가 요구되는 구동회로부 박막 트랜지스터에 사용되는 MOS 구조로 된 집적회로의 일종으로 n 채널 박막 트랜지스터와 p 채널박막 트랜지스터를 모두 필요로 하며 속도와 밀도의 특성은 NMOS와 PMOS의 중간 형태를 나타낸다. 상기 게이트 구동회로부(32)와 데이터 구동회로부(31)는 각각 게이트라인과 데이터라인을 통해 화소전극에 주사신호 및 데이터신호를 공급하기 위한 장치로써, 외부신호 입력단(미도시)과 연결되어 있어 상기 외부신호 입력단을 통하여 들어온 외부신호를 조절하여 상기 화소전극에 출력하는 역할을 한다. 또한, 상기 컬러필터 기판(5)의 화소부(35)에는 컬러를 구현하는 컬러필터(미도시)와 상기 어레이 기판(10)에 형성된 화소전극의 대향전극인 공통전극(미도시)이 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)은 스페이서(spacer)(미도시)에 의해 일정하게 이격되도록 셀갭(cell gap)이 마련되고, 화소부(35)의 외곽에 형성된 실 패턴(seal pattern)(미도시)에 의해 합착되어 단위 액정표시패널을 이루게 된다. 이때, 상기 두 기판(5, 10)의 합착은 컬러필터 기판(5) 또는 어레이 기판(10)에 형성된 합착키를 통해 이루어진다. 상기와 같이 구성되는 구동회로 일체형 액정표시장치는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 이용하므로 소자 특성이 탁월하여 화상 품질이 우수하며, 고정세화가 가능하고 전력의 소비가 적다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 상기 구동회로 일체형 액정표시장치는 동일 기판 위에 n 채널 박막 트랜지스터와 p 채널 박막 트랜지스터를 함께 형성하여야하기 때문에 단일 타입의 채널만을 형성하는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 액정표시장치에 비해 제조공정이 보다 복잡하다는 단점이 있다. 이와 같이 상기 박막 트랜지스터를 포함하는 어레이 기판의 제조에는 다수회의 포토리소그래피(photolithography)공정을 필요로 한다. 상기 포토리소그래피공정은 마스크에 그려진 패턴을 박막이 증착된 기판 위에 전사시켜 원하는 패턴을 형성하는 일련의 공정으로 감광액 도포, 노광, 현상공정 등 다수의 공정으로 이루어져 있다. 그 결과 다수의 포토리소그래피공정은 생산 수율을 떨어뜨리며 형성된 박막 트랜지스터에 결함이 발생될 확률을 높이게 하는 등 많은 문제점이 있다. 특히, 패턴을 형성하기 위하여 설계된 마스크는 매우 고가이어서, 공정에 적용되는 마스크수가 증가하면 액정표시장치의 제조비용이 이에 비례하여 상승하는 문제점이 있다. 한편, 도 2는 종래기술에 따른 액정표시장치의 어레이 기판 일부를 개략적으로 나타내는 평면도로써, 특히 화소부의 박막 트랜지스터를 포함하는 하나의 화소를 나타내고 있다. 실제의 액정표시장치에서는 N개의 게이트라인과 M개의 데이터라인이 교차하여 MxN개의 화소가 존재하지만 설명을 간단하게 하기 위해 도면에는 한 화소를 나타내고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 어레이 기판(110)에는 상기 어레이 기판(110) 위에 종횡으로 배열되어 화소영역을 정의하는 게이트라인(116)과 데이터라인(117)이 형성되어 있다. 또한, 상기 게이트라인(116)과 데이터라인(117)의 교차영역에는 스위칭소자인 박막 트랜지스터가 형성되어 있으며, 상기 화소영역 내에는 상기 박막 트랜지스터에 연결되어 컬러필터 기판(미도시)의 공통전극과 함께 액정(미도시)을 구동시키는 화소전극(118)이 형성되어 있다. 상기 박막 트랜지스터는 게이트라인(116)에 연결된 게이트전극(121), 데이터라인(117)에 연결된 소오스전극(122) 및 화소전극(118)에 연결된 드레인전극(123)으로 구성되어 있다. 또한, 상기 박막 트랜지스터는 상기 게이트전극(121)에 공급되는 게이트 전압에 의해 상기 소오스전극(122)과 드레인전극(123) 간에 전도채널(conductive channel)을 형성하는 액티브패턴(124‘)을 포함한다. 이때, 상기 액티브패턴(124‘)은 다결정 실리콘 박막으로 이루어지며, 상기 액티브패턴(124’)은 그 일부가 화소영역으로 연장되어 공통라인(108)과 함께 제 1 스토리지 커패시터를 구성하는 스토리지패턴(124“)에 연결되어 있다. 즉, 상기 화소영역 내에는 상기 게이트라인(116)과 실질적으로 동일한 방향으로 공통라인(108)이 형성되어 있으며, 상기 공통라인(108)은 제 1 절연막(미도시)을 사이에 두고 그 하부의 스토리지패턴(124“)과 중첩하여 제 1 스토리지 커패시터를 구성한다. 이때, 상기 제 1 실시예의 스토리지패턴(124”)은 상기 액티브패턴(124‘)을 구성하는 다결정 실리콘 박막에 별도의 마스크공정을 통한 스토리지 도핑을 통해 형성되게 된다. 상기 소오스전극(122) 및 드레인전극(123)은 상기 제 1 절연막과 제 2 절연막(미도시)에 형성된 제 1 콘택홀(140a) 및 제 2 콘택홀(140b)을 통해 상기 액티브패턴(124‘)의 소오스영역 및 드레인영역과 전기적으로 접속하게 된다. 또한, 상기 소오스전극(122)의 일부는 일방향으로 연장되어 상기 데이터라인(117)의 일부를 구성하며, 상기 드레인전극(123)의 일부는 화소영역 쪽으로 연장되어 제 3 절연막(미도시)에 형성된 제 3 콘택홀(140c)을 통해 상기 화소전극(118)과 전기적으로 접속하게 된다. 이때, 상기 화소영역으로 연장된 드레인전극(123)의 일부는 상기 제 2 절연막을 사이에 두고 그 하부의 공통라인(108)과 중첩하여 제 2 스토리지 커패시터를 구성하게 된다. 이하, 이와 같이 구성된 상기 어레이 기판의 제조공정을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3a 내지 도 3i는 도 2에 도시된 어레이 기판의 II-II'선에 따른 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도로써, n 채널의 TFT가 형성되는 화소부의 어레이 기판을 제조하는 과정을 예를 들어 나타내고 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 유리와 같은 투명한 절연물질로 이루어진 기판(110) 위에 실리콘 박막을 형성한 다음, 상기 실리콘 박막을 결정화하여 다결정 실리콘 박막을 형성한다. 이때, 상기 기판(110)에는 n채널 TFT영역과 스토리지영역으로 구분되는 화소부 및 n채널 TFT영역과 p채널 TFT영역으로 구분되는 회로부(미도시)가 각각 정의되어 있다. 이후, 상기 다결정 실리콘 박막을 포토리소그래피공정(제 1 마스크공정)을 이용하여 패터닝하여 액티브패턴과 스토리지패턴을 구성할 다결정 실리콘 박막패턴(124)을 형성한다. 이때, 상기 기판(110)과 상기 다결정 실리콘 박막패턴(124) 사이에는 버퍼층(111)이 개재될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 다결정 실리콘 박막패턴(124)의 일부를 가린 후 도핑을 진행하여 스토리지패턴(124“)을 형성한다. 여기서, 포토레지스트로 가려진 상기 다결정 실리콘 박막패턴(124)의 일부는 액티브패턴(124‘)을 형성하게 되며, 이때 또 하나의 포토리소그래피공정(제 2 마스크공정)이 필요하게 된다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110) 전면에 차례대로 제 1 절연막(115a)과 제 1 도전막을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 3 마스크공정)을 이용하여 상기 제 1 도전막을 선택적으로 패터닝함으로써 상기 액티브패턴(124') 위에 상기 제 1 도전막으로 이루어진 게이트전극(121)을 형성하는 동시에 상기 스토리지패턴(124") 위에 상기 제 1 도전막으로 이루어진 공통라인(108)을 형성한다. 상기 제 1 도전막은 상기 게이트전극(121)과 공통라인(108)을 구성하기 위해 알루미늄(aluminium; Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(tungsten; W), 구리(copper; Cu), 크롬(chromium; Cr), 몰리브덴(molybdenum; Mo) 등과 같은 저저항 불투명 도전성물질로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 공통라인(108)은 화소영역 내에서 상기 제 1 절연막(115a)을 사이에 두고 그 하부의 스토리지패턴(124")과 중첩하여 제 1 스토리지 커패시터를 구성하게 된다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 게이트전극(121)과 공통라인(108)을 가진 기판 상에 제 1감광막패턴(170)을 형성한다. 상기 제 1감광막패턴(170)은 상기 화소부 어레이 기판의 전면과 회로부의 n 채널 TFT영역을 덮고 회로부의 p 채널 TFT영역을 노출하도록 패터닝된다.(상기 회로부는 미도시됨) 상기 제 1감광막패턴(170)을 마스크로 하여 상기 회로부의 p 채널 TFT영역에 고농도의 p+ 이온을 주입하여 p+ 소오스영역과 드레인영역(미도시)을 형성한다.(제 4마스크 공정) 도 3e에 도시된 바와 같이, 제 1감광막패턴을 제거한다. 이어, 상기 p+ 소오스영역과 드레인영역을 가진 기판 상에 제 2감광막패턴(170')을 형성한다. 상기 제 2감광막패턴(170')은 상기 회로부의 p 채널 TFT영역과 상기 화소부/회로부의 n 채널 TFT영역 일부 및 스토리지영역을 덮도록 패터닝된다. 상기 제 2감광막패턴(170')을 마스크로 하여 상기 화소부의 액티브패턴(124')의 소정 영역에 고농도의 n+ 이온을 주입한다. 그 결과, 상기 화소부의 액티브패턴(124')에 n+의 소오스영역(124a)과 드레인영역(124b)이 형성된다.(제 5마스크 공정) 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 제 2감광막패턴(170‘)을 제거한다. 이어, 상기 제 2감광막패턴이 제거된 기판 전면에 저농도의 n- 이온을 주입하여 엘디디(Lightly Doped Drain; LDD)영역(124l)을 형성한다. 도 3f에서, 미설명된 도면부호 124c는 상기 소오스영역(124a)과 드레인영역(124b) 사이에 전도채널을 형성하는 채널영역을 나타낸다. 구체적으로 설명하면, 상기 엘디디영역(124l)은 상기 n+의 소오스영역(124a)과 채널영역(124c) 및 상기 n+의 드레인영역(124b)과 채널영역(124c) 사이에 형성된다. 한편, 도면에 도시되지 않았지만, 상기 화소부의 n채널 TFT영역에 엘디디영역(124l)을 형성하는 동안, 상기 회로부의 n 채널 TFT영역에도 n-이온이 주입되어 엘디디영역이 형성되게 된다. 그 다음, 상기 엘디디영역(124l)을 가진 기판 전면에 제 2 절연막(115b)을 증착한 후, 포토리소그래피공정(제 6 마스크공정)을 통해 상기 제 1 절연막(115a)과 제 2 절연막(115b)의 일부 영역을 제거하여 상기 소오스영역(124a)의 일부를 노출시키는 제 1 콘택홀(140a)과 상기 드레인영역(124b)의 일부를 노출시키는 제 2 콘택홀(140b)을 형성한다. 도 3g에 도시된 바와 같이, 제 2 도전막을 기판(110) 전면에 형성한 후 포토리소그래피공정(제 7 마스크공정)을 이용하여 패터닝함으로써 상기 제 1 콘택홀(140a)을 통해 상기 소오스영역(124a)과 전기적으로 접속하는 소오스전극(122)을 형성하며, 상기 제 2 콘택홀(140b)을 통해 상기 드레인영역(124b)과 전기적으로 접속하는 드레인전극(123)을 형성한다. 이때, 상기 소오스전극(122)의 일부는 일방향을 연장되어 데이터라인(117)을 형성하게 되며, 상기 드레인전극(123)의 일부는 화소영역으로 연장되어 상기 제 2 절연막(115b)을 사이에 두고 그 하부의 공통라인(108)과 중첩하여 제 2 스토리지 커패시터를 구성하게 된다. 도 3h에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110) 전면에 제 3 절연막(115c)을 증착한 후, 포토리소그래피공정(제 8 마스크공정)을 이용하여 상기 제 3 절연막(115c)을 패터닝함으로써 상기 드레인전극(123)의 일부를 노출시키는 제 3 콘택홀(140c)을 형성한다. 도 3i에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 절연막(115c)이 형성된 기판(110) 전면에 제 3 도전막을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 9 마스크공정)을 이용하여 상기 제 3 도전막을 선택적으로 패터닝함으로써 상기 제 3 콘택홀(140c)을 통해 상기 드레인전극(123)과 전기적으로 접속하는 화소전극(118)을 형성한다. 상기 제 3 도전막은 화소전극(118)을 구성하기 위해 인듐-틴-옥사이드(Indium Tin Oxide; ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(Indium Zinc Oxide; IZO) 등과 같이 투과율이 뛰어난 투명 도전물질을 사용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 종래기술에 따르면, 다결정 실리콘 박막으로 액티브패턴(124')과 스토리지패턴(124")을 형성하고 별개의 마스크공정을 통해 상기 스토리지패턴에 스토리지도핑을 진행함으로써 총 9개의 마스크공정을 통해 화소부와 회로부의 TFT를 제작할 수 있다.