KR101328416B1 - 투명 전극을 포함하는 반도체 소자, 및 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법 - Google Patents

투명 전극을 포함하는 반도체 소자, 및 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법 Download PDF

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Abstract

투명 전극을 포함하는 반도체 소자, 및 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법이 개시된다. 투명 전극을 포함하는 반도체 소자의 투명 전극은 하부 질화물층, 하부 질화물층 상에 형성된 금속층, 및 금속층 상에 형성된 상부 질화물층을 포함한다. 이와 같이, 금속층 상하에 질화물층을 형성함으로써, 희토류나 비싼 제조 공정이 없이도 우수한 성능의 투명 전극을 제조할 수 있게 된다.

Description

투명 전극을 포함하는 반도체 소자, 및 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING TRANSPARENT ELECTRODE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자에 사용되는 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지, LED, OLED, LCD 패널 등의 반도체 소자에 사용되는 투명전극에 관한 것이다.
최근 나날이 발전해 가고 있는 반도체 분야 중 태양전지 및 디스플레이의 시장이 점점 커져 가고 있으며, 또한 휴대가 간편하고 쉽게 이동하며 사용할 수 있는 모바일 정보 전자 기기의 필요성이 점점 증대되고 있다.
반도체 소자에 있어서 기존의 디스플레이를 대체하는 방향을 살펴보면 투명한 디스플레이 및 그러한 디스플레이를 구현 가능케 하는 투명 트랜지스터 기술들이 있다. 뿐만 아니라 태양전지에 있어서도 가능한 많은 광량을 태양전지 패널에 도달하게 하기 위해서는 투명한 전극이 필요하다.
이와 같은 투명한 디스플레이나 효율이 좋은 태양전지를 구현 가능하게 하기 위해서는 반드시 투명전극을 사용해야 한다. 투명하면서도 동시에 전기 전도도를 띠는 이 투명전극은 금속 전극을 통하여 외부로부터 전류를 주입하거나 태양전지 소자로부터 전류를 얻어서 수집하는 기능을 담당하는 영역이기 때문이다.
현재 이러한 역할을 담당하는 투명 전도 산화물로는 주로 인듐주석산화물(ITO)나 불소주석산화물(FTO) 등을 사용하고 있는데 ITO의 경우 희토류인 인듐의 치솟는 가격 덕분에 이를 대체하는 움직임이 한창이고, FTO의 경우 상대적으로 싼 가격 대비 비싼 공정 가격 덕분에 이와 같은 무기물 기반의 투명 전도성 산화물을 대체하려는 노력이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 희토류나 비싼 제조 공정이 없이도 제작 가능한 우수한 성능의 투명 전극을 가지는 반도체 소자, 및 그 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 투명 전극을 포함하는 반도체 소자의 투명 전극은 하부 질화물층, 하부 질화물층 상에 형성된 금속층, 및 금속층 상에 형성된 상부 질화물층을 포함한다. 이와 같이, 금속층 상하에 질화물층을 형성함으로써, 희토류나 비싼 제조 공정이 없이도 우수한 성능의 투명 전극을 제조할 수 있게 된다.
질화물층들은 질소를 포함하는 가스 분위기에서 증착된다. 스퍼터링(sputtering) 증착시에는 질소 가스 이외에 아르곤 가스가 더 사용되며, 이때 아르곤 가스의 분압 크기는 질소 가스의 분압 크기 이상일 수 있다.
이와 같이 질소가 포함된 분위기에서 질화물층을 증착하는 경우, 증착된 질화물의 에너지 밴드갭이 늘어나 광의 투과도가 증가하므로, 투명 전극의 성능이 개선된다.
또한, 질화물층의 두께는 투명 전극을 투과하는 광의 파장에 따라 형성될 수 있으며, 이와 같은 구성에 의하면, 질화물층의 두께를 조절함으로써 원하는 파장대에 최대의 투과도를 위치시키도록 조절이 가능한 투명 전극을 제조할 수 있게 된다.
또한, 질화물층의 두께는 5nm 이상 100nm 이하일 수 있으며, 이 경우 적절한 반사 방지 효과를 유지할 수 있게 된다.
또한, 금속층의 두께는 6nm 이상 18nm 이하일 수 있다. 금속층이 이와 같은 두께 범위에 있을 때, 적절한 투과도를 유지할 수 있게 된다.
아울러, 상기 반도체 소자를 제조하는 방법 발명이 개시된다.
본 발명에 의하면, 금속층 상하에 질화물층을 형성함으로써, 희토류나 비싼 제조 공정이 없이도 우수한 성능의 투명 전극을 제조할 수 있게 된다.
또한, 증착된 질화물의 에너지 밴드갭이 늘어나 광의 투과도가 증가하므로, 투명 전극의 성능이 개선된다.
또한, 질화물층의 두께를 조절함으로써 원하는 파장의 광만을 선택적으로 투과할 수 있는 투명 전극을 제조할 수 있게 된다.
또한, 투명 전극에 사용되기에 적절한 반사 방지 효과를 유지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 투명 전극의 일 실시예의 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 투명 전극에서 질화물층의 두께를 변화시킴에 따라 변화되는 투과도가 높은 광의 파장을 도시한 비교 그래프.
도 3은 460nm 파장에서 질화물층의 두께에 따른 투과도의 비교표.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 투명 전극의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 1에서, 투명 전극(100)은 하부 질화물층(110), 하부 질화물층(110) 상에 형성된 금속층(120), 및 금속층 상에 형성된 상부 질화물층(130)을 포함한다. 이러한, 다층 질화물계 투명전극(100)은 태양전지, LED, OLED, TFT 등을 포함한 다양한 반도체 소자에 응용될 수 있다.
이때, 다층 질화물계 투명전극(100)은 사파이어, Glass, PET, PEN, PC, PES, PI, PAR, PCO, PMMA, crosslinking type epoxy, crosslinking type urethane과 같은 여러 종류의 기판 위에 성막할 수 있으며, sputtering 및 evaporation, LD, CVD, sol-gel, spray 등 다양한 박막 증착 공정을 이용하여 제조할 수 있다.
또한, 도 1에서, 하부 질화물층(110)과 상부 질화물층(130)의 물질은 서로 다른 물질일 수도 있으나, 동일한 물질인 것이 일반적일 것이다. 또한, 질화물층(110, 130)은 GaN, ZrN, TiN, TaN 등의 다양한 질화물을 이용하여 제조할 수 있다.
이와 같이, 금속층 상하에 질화물층을 형성함으로써, 희토류나 비싼 제조 공정이 없이도 우수한 성능의 투명 전극을 제조할 수 있게 된다.
질화물층(110, 130)은 질소를 포함하는 가스 분위기에서 증착될 수 있다. 스퍼터링 증착의 경우 분위기 가스는 아르곤 가스를 더 포함하며, 아르곤 가스의 분압 크기가 질소 가스의 분압 크기 이상인 것이 바람직하다.
이와 같이 질소가 포함된 분위기에서 질화물층을 증착하는 경우, 증착된 질화물의 에너지 밴드갭이 늘어나 광의 투과도가 증가하므로, 투명 전극의 성능이 개선된다. 따라서, 상대적으로 투과도가 낮은 질화물을 이용해서도 우수한 성능의 투명 전극을 제조할 수 있게 된다.
또한, 질화물층의 두께는 투명 전극을 투과하는 광의 파장에 따라 형성될 수 있으며, 이와 같은 구성에 의하면, 질화물층의 두께에 따른 옵티컬 밴드 갭(optical band gap)을 조절함으로써 최적의 투과도를 지니는 곳의 파장을 질화물의 두께로 결정할 수 있게 된다.
질화물층(110, 130)의 두께는 서로 다르게 제작할 수도 있겠지만, 동일한 것이 일반적일 것이다. 또한, 질화물층의 두께는 5nm 이상 100nm 이하로 제작할 수 있으며, 이 경우 적절한 반사 방지 효과를 유지할 수 있게 된다.
금속층(120)으로는 금, 은, 알루미늄, 구리 등의 전도성이 좋은 다양한 금속을 사용할 수 있으며, 금속층의 두께는 6nm 내지 18nm일 수 있다. 금속층이 이와 같은 두께 범위에 있을 때, 적절한 투과도를 유지할 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 투명 전극에서 질화물층의 두께를 변화시킴에 따라 변화되는 투과도가 높은 광의 파장을 도시한 비교 그래프이고, 도 3은 460nm 파장에서 질화물층의 두께에 따른 투과도의 비교표이다.
도 2, 및 도 3에서 금속층으로는 은(Ag)을 사용하였으며 모두 동일하게 12nm의 두께로 제작하였다. 질화물층으로는 ZrN을 사용하였으며, 질화물층의 두께는 상부와 하부가 동일하도록, 각각 5, 10, 20, 30, 40nm의 두께로 제작하였다.
RF magnetron sputtering 공정 중 전체 공정 압력 10mtorr로 유지하였으나, 분압은 1 내지 20mtorr 범위에서 다른 값을 선택하여도, 시간당 올라가는 두께와 막질에만 약간 영향을 줄뿐, 크게 관계 없다.
가스(Gas)는 아르곤과 질소를 24sccm씩 1:1의 비율로 공정을 진행하였으나 질소의 분압이 0 내지 50% 구간 중 다른 값을 선택할 수 있다.
공정 조건 중 인가하는 전압(RF power)은 ZrN은 50W, 은(Ag)는 30W로 인가하였다. 그러나, 인가 전압 역시 공정 변수 중 시간당 박막이 증착되는 두께에 critical하고 다른 부분에는 큰 영향을 미치지 않기 때문에 20W 내지 150W 범위에서 다른 값으로 인가할 수도 있다.
도 2에서 질화물층의 두께에 따라 최고 투과도를 가지는 파장이 달라지는 것을 확인할 수 있으며, 도 3에서는 특히 460nm의 파장에서는 10nm의 두께의 질화물층을 가지는 투명 전극이 가장 우수한 투과도 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 유전(dielectric) 물질인 질화물(nitride)과 금속(metal)의 적층 구조인 질화물/금속/질화물(nitride/metal/nitride) 다층 구조를 통하여 낮은 비저항과 면저항을 지니는 좋은 전기적 특성과 동시에 반사방지 효과로 금속 단일층보다 높은 투과도를 갖는 광학적 특성을 지닌 투명전극을 개시한다.
또한, 가장 높은 투과도를 지니는 지점을 질화물(nitride)과 금속(metal)층의 두께 조절을 통하여 원하는 파장에 맞추어 조절할 수 있는 특징을 지닌 투명전극을 개시한다.
이를 위해, 질화물/금속/질화물의 구조를 이용하여, 다양한 기판 위에 박막을 순차적으로 성막함으로써, 낮은 비저항 및 면저항을 지님과 동시에 높은 투과도를 지니는 다층 투명전극을 제조한다.
이에 따라, 기존의 단일층 인듐주석산화물의 구조에서 사용되는 고가의 인듐을 사용하지 않아 저렴한 투명전극을 제작할 수 있으며, 산화물에 비하여 작은 밴드갭을 지니는 질화물의 경우 투과도를 확보하기 위해 증착시 추가적인 산소나 다른 가스 없이도, 질소의 투입만으로 높은 투과도를 확보할 수 있게 된다. 또한, 질화물의 두께에 따른 최대 투과도를 지니는 파장 영역대를 결정할 수 있게 된다.
유전체/금속/유전체(dielectric/metal/dielectric)의 구조에 있어서 금속(metal)의 surface plasmon특성을 통해 전도도를 가지려면 유전체의 유전상수가 필수적이다.
유전체라고 함은, 산화물이나 질화물을 나타낸다. 여기서 산화물 같은 경우 기본적으로 매우 큰 밴드갭을 지니고 있어서 가시광 파장 영역의 빛을 투과하기 때문에 투명하다.
질화물같은 경우, 기본적인 물질 특성이 산화물보다는 작은 밴드갭을 지녀, 투과도가 산화물에 비해 낮은 편이다. 때문에 지금까지는 질화물보다는 산화물의 투과도에 기여하는 점이 매우 크므로, 유전체/금속/유전체의 구조에서 유전체를 질화물로 사용 시도한 경우가 없었다.
하지만, 일부 GaN based의 반도체 소자와 같은 경우, 산화물 박막보다는 동종계열의 물질인 질화물 박막을 사용하는 것이 유리할 수 있고, 특정 파장에 최대의 투과도를 두께 변수만 가지고 조절할 수 있다면, 반도체 소자 공정에 있어서 상당한 이점을 지닌다.
본 발명에서는 질화물 박막 증착을 RF magnetron sputtering으로 하였으며, 질화물 박막 증착 공정 시 아르곤 가스 외에, 질소를 추가적으로 과량 넣어주어 밴드갭을 늘려줌으로써 산화물에 준하는 투과도를 지니는 질화물 박막을 만들었고, 이를 통해 질화물을 이용한 투명 전극을 제작하였다.
본 발명에 따른 질화물/금속/질화물 구조의 투명전극은 무기물 단일층을 지니는 투명전극에 비해 값싼 공정을 이용하며 또한 저렴한 재료 가격으로 투명전극을 만들 수 있다. 또한, 금속의 특성을 지녀 상당히 유연하며 금속 단일층의 투명전극에 비해서 질화물층의 반사 방지효과로 인하여 상당히 높은 투과도를 유지할 수 있다.
전기적 특성으로도 역시 산소 정공이나 도펀트를 이용한 반도체적인 특성을 지니는 투명 전도성 산화물에 비하여 금속에 더 가까운 뛰어난 전기 특성을 지닐 수 있다.
추가적으로 투명 전도성 산화물/금속/투명 전도성 산화물이, interference fringe 때문에 두께에 따른 정확한 최적 투과도 위치보다는 가시광 영역의 평균 투과도 향상에 주안점을 맞춘다면, 투명 전도성 산화물을 질화물계 물질로 대체하면, 투과도 그래프에서 물결처럼 요동치는 부분이 사라진다.
또한, 산화물 박막보다 두께에 따른 최대 투과도를 지니는 파장 영역대가 두께에 굉장히 민감하여, 질화물층의 두께 조절을 통해 소자에 알맞은 적정 파장대의 영역에 최적의 투과도를 마음대로 조절할 수 있는 장점이 있다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
100: 투명 전극
110: 하부 질화물층
120: 금속층
130: 상부 질화물층

Claims (12)

  1. 투명 전극을 포함하는 반도체 소자로서,
    상기 투명 전극은,
    하부 질화물층;
    상기 하부 질화물층 상에 형성된 금속층; 및
    상기 금속층 상에 형성된 상부 질화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질화물층들은 질소를 포함하는 가스 분위기에서 증착되는 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 분위기 가스는 아르곤 가스를 더 포함하며, 상기 아르곤 가스의 분압 크기가 상기 질소 가스의 분압 크기 이상인 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 질화물층들의 두께는 투명 전극을 투과하는 광의 파장에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 질화물층들의 두께는 5nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 금속층의 두께는 6nm 이상 18nm 이하인 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자.
  7. 투명 전극을 포함하는 반도체 소자를 제조하는 방법으로서,
    상기 투명 전극의 제조는,
    하부 질화물층을 형성하는 단계;
    상기 하부 질화물층 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층 상에 상부 질화물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 질화물층들은 질소를 포함하는 가스 분위기에서 증착되는 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 분위기 가스는 아르곤 가스를 더 포함하며, 상기 아르곤 가스의 분압 크기가 상기 질소 가스의 분압의 크기 이상인 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 질화물층들의 두께는 투명 전극을 투과하는 광의 파장에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 질화물층들의 두께는 5nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 금속층의 두께는 6nm 이상 18nm 이하인 것을 특징으로 하는 투명 전극을 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
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