전도막

전도막은 반도체 기기와 회로에서 전류를 전달하거나 특정 전기적 기능을 수행하기 위해 얇게 증착된 금속 또는 반도체 소재의 층을 의미한다. 주로 전자 소자 내부의 전극, 상호 연결, 또는 배선으로 사용된다. 전도막은 반도체 전공정(front-end process) 및 후공정(back-end process)에서 중요한 역할을 하며, 기기 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미친다.

주요 전도막 소재

알루미늄 (Aluminum, Al)

• 특징: 저렴하고 전도성이 우수하여 초기 반도체 제조 공정에서 주로 사용되었다.
• 장점: 높은 전기 전도도, 가공 용이성.
• 단점: 전자 마이그레이션(Electromigration)으로 인해 신뢰성이 낮아지는 문제점이 있다.

구리 (Copper, Cu)

• 특징: 전도도가 알루미늄보다 높아 현대 반도체 제조에서 선호된다.
• 장점: 낮은 저항, 고속 데이터 전송 지원.
• 단점: 산화에 취약하여 추가적인 방지막이 필요하다.

폴리실리콘 (Polysilicon)

• 특징: 주로 트랜지스터 게이트 전극과 같은 부분에 사용된.
• 장점: 고온 공정에 강하고 CMOS 공정에 적합하다.
• 단점: 금속에 비해 저항이 높다.

티타늄 나이트라이드 (Titanium Nitride, TiN)

• 특징: 배리어 메탈로 사용되어 구리와 실리콘 또는 구리와 구리 배선 사이의 확산을 방지한다.
• 장점: 고온 안정성, 우수한 배리어 특성.
• 단점: 제조 공정이 비교적 복잡하고 고가이다.

전도막의 증착 방법

물리적 기상 증착 (Physical Vapor Deposition, PVD)

• 방법: 증발 또는 스퍼터링 공정을 통해 전도막을 증착한다.
• 장점: 비교적 낮은 온도에서 공정 가능.
• 단점: 두께 제어가 어려울 수 있다.

화학적 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD)

• 방법: 화학 반응을 통해 전도막을 증착하며, 구리와 같은 물질에 자주 사용된다.
• 장점: 균일한 두께의 박막 형성 가능.
• 단점: 고온 공정 필요.

전자빔 증착 (Electron Beam Evaporation)

• 방법: 전자빔으로 금속을 가열해 증착하는 방법.
• 장점: 고순도의 금속 증착 가능.
• 단점: 복잡하고 고가의 장비가 필요하다.

전도막의 주요 용도

• 트랜지스터 게이트: 폴리실리콘, 고유전율 금속과 같은 전도막이 사용된다.
• 배선 및 상호 연결: 구리, 알루미늄을 포함한 금속 전도막이 배선 재료로 사용됨.
• 콘택트 및 배리어층: 실리콘과 금속층 사이의 전기적 접촉을 개선하고 확산을 방지하는 용도로 사용된다.

투명 전도막

투명 전도막 (Transparent Conductive Oxide)이란 가시광선 영역에서 높은 투광성을 가지며 동시에 전기전도성을 가지는 물질을 일컫는다. 1907년 Badeker가 스퍼터링법으로 성장된 CdO 박막에서 처음으로 투명전도성을 발견한 이래 많은 연구가 진행되어 왔다. 열 반사막, 투명열전극, 대전방지막 등의 목적으로 사용되다가 최근에는 광트랜지스터, 광다이오드, 광기전성 소자에도 쓰이고 있다. 특히 최근에는 멀티미디어의 기술이 발전되어 영상 표시 장치에 대한 관심이 집중되면서 평판 디스플레이와 사무기기, 대형 TV 핸드폰, 전자수첩 등의 panel에 응용하기 위한 화소 전극으로써의 수요가 급증하고 있다. 게다가 태양광 산업이 발전함에 따라 각종 태양전지의 상부 전극으로써의 수요도 더불어 증가하고 있는 추세이다.

투명 전도막은 기본적으로 가시광선 영역에서의 높은 광투과율, 낮은 비저항, 식각의 용이함 등과 같은 물성을 갖추어야 한다. 투명전도막이 평판 디스플레이 및 태양전지의 투명 전극으로 사용되기 위해서는 광투과율은 최소 85 % 이상, 전기비저항은 ~ 10-4 Ω㎝ 정도의 값을 가져야 하고, 특히 빠른 스위칭 및 응답 속도의 구현을 위해서는 비저항이 낮아야 한다. 또한 대면적 기판 위에 미세한 전극 패턴을 형성시키기 위해서는 식각 특성이 용이해야 한다. 투명 전도성 재료로는 Au, Ag, Cu 등의 금속박막과 인듐산화물(In₂O₃), 주석산화물(SnO₂) 및 산화아연(ZnO)계의 금속산화물 반도체 박막 재료를 들 수 있으나, 순수한 금속산화물 박막은 비교적 비저항이 높으므로 불순물이 도핑된 ITO(In₂O₃:Sn), FTO(SnO₂:F), GZO(ZnO:Ga), AZO(ZnO:Al) 등이 주로 연구되어 오고 있다.

금속 박막은 얇게 하면 할수록 광 투과율을 높게 할 수 있으나, 비저항과 광 투과율이 반비례하는 경향이 있으므로, 그 사용이 제한되고 있다.

또한, PEDOT 전도성 고분자를 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 일반적으로 전도성 고분자의 경우 전기전도도 특성이 전극의 두께에 비례하여 증가하는데, 전도성 고분자는 가시광선 영역에서의 빛을 흡수하기 때문에 디스플레이용으로 사용하기 위해서는 투과도를 높일 수 있도록 하기 위해 금속박막의 경우에서와 같이 보다 얇게 코팅하여야 한다. 그러나 일반적으로 50nm의 매우 얇은 두께로 기판위에 코팅할 경우 1kΩ/□ 이하의 전기적 특성을 얻기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 금, 은, 구리, 니켈등 전기적 특성이 우수한 금속을 혼합하여 박막화시켜 사용하고 있지만 투명전도성 막으로 응용되기에는 투광도, 저항의 균일성, 안정성, 경도 및 전도성 등의 측면에서 문제점을 나타내고 있다. 이러한 문제점을 극복할 수 있는 투명전극 소재의 개발은 전 세계적으로 미비한 상황이다. 또 다른 투명전극으로 CNT를 사용한 연구가 진행되고 있다. 하지만 CNT의 경우 정제 공정에 따라 전기적인 특성이 크게 영향을 받기 때문에 여러 연구 그룹에 따라 상이한 면저항과 투광도를 보이고 있다. 따라서 산화에 의한 결함이 없으면서 불순물도 제거된 고순도 CNT 만을 선택적으로 분리시켜 이를 매트릭스에 나노 스케일로 고르게 분산시키는 것이 핵심 기술이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 금속 나노선을 이용한 투명전도성 막에 대한 연구 기술이 보고되고 있다. 대표적으로 미국의 Cambrios사는 나노스케일의 메쉬 형태위에 용액에 균질하게 분산 시킨 금속 나노선을 이용하여 투명전극으로 제조함으로써 투광율 및 면저항의 문제를 동시에 해결하는데 성공 하였으며, 또한 상온에서 직접적으로 코팅함으로써 대면적화 및 저가격화가 가능해질 수 있는 공정 기술을 확립함으로써 투명전극 관련 연구에 새로운 패러다임을 제시하였으며 현재에도 많은 연구가 진행되고 있다.

하지만 상용화를 위해서는 인쇄 공정 등을 이용한 투명전도막 형성 기술이 아직까지 해결해야 할 문제로 많이 남아 있는 실정이다. 따라서 대면적 고 해상도의 투명전극을 형성하기 위해서는 롤투롤 프로세스 등의 고 해상도의 인쇄 장비를 이용한 연구 개발이 절실하다.

참고자료

• 이지블리스, 〈금속나노선을 이용한 투명전극〉, 《네이버 블로그》, 2014-09-11

같이 보기

• 배선
• 전자소자
• 트랜지스터

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