한국전기연구원, SiC 전력반도체 망치는 '킬러 결함' 정체 세계 최초 규명

첨단 공용 인프라 및 다각적 해석 기법 총동원, 측정 난제인 사다리꼴 결함 구조 전세계 최초로 밝혀

한국전기연구원은 SiC 전력반도체 망치는 '킬러 결함' 정체 세계 최초로 규명해 금속 및 무기재료 분야 세계 최고 수준의 권위지인 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia, JCR 상위 5% 이내, IF 10.7)'에 초고속으로 게재되는 영광을 안았다. 한국전기연구원 제공

한국전기연구원 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대학교 홍순구 교수팀, 분석 전문기업 호리바에스텍코리아와의 공동 연구에서 SiC(탄화규소) 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 치명적 불량인 '킬러 결함'의 내부 구조와 발생 원리를 세계 최초로 규명했다.

SiC 전력반도체는 고온·고압의 가혹한 환경을 견디며 전류 방향과 전력 변환을 제어하는 등 사람 신체의 근육과 같은 역할을 한다. 최근들어 AI 데이터센터와 전기차 수요 급증 추세로 인해 세계적으로 고품질 반도체 제품의 대량 생산을 위해 경쟁이 치열해졌다.

SiC 전력반도체는 기판 위에 탄소와 실리콘 원자를 한 층씩 세밀하게 쌓아 올리는 '에피택시(Epitaxy) 공정'을 거쳐 완성된다. 이는 얇은 실을 촘촘히 엮어 옷감을 짜는 과정과 유사하여, 원자 배열이 조금이라도 어긋나면 치명적인 불량인 '킬러 결함(적층 결함)'이 발생해 반도체 칩 전체의 수율을 크게 떨어뜨린다.

특히 길이 약 1mm(머리카락 굵기의 10배)에 달하는 막대(Bar-shaped) 모양의 '사다리꼴 결함(TZD, Trapezoidal Defect)'은 칩 전체를 망가뜨리는 주범으로 지목됐다. 이는 크기와 모양만 다를 뿐 기존의 결함과 같은 본질적 특성을 띠는 것으로 알려져 있었다.

이에 공동 연구팀은 그동안 아무도 주목하지 않았던 사다리꼴 결함 내부에 관찰된 특이한 줄들에 집중했고, 결함의 실체적 구조를 밝히기 위해 광 발광 매핑, 스펙트럼 분석, 원자 레벨 해석, 밀도범함수이론(DFT) 계산 등 총 8가지에 달하는 다각적 해석 기법을 통한 융합 연구를 해왔다. 이를 위해 구미전자정보기술원의 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM)을 비롯해, 한국과학기술정보연구원의 누리온 슈퍼컴퓨터, 포항방사광가속기의 싱크로트론 장비 등 국가 최첨단 인프라를 총동원해 1년 이상 연구를 거쳤다.

그 결과, 사다리꼴 결함 내부에 사실은 최대 32층으로 구성된 다수의 결함들이 복잡하게 얽혀 있다는 사실을 새롭게 밝혀냈다. 아울러 반도체 제조 과정 중에도 결함이 에피층(반도체 물질을 층층이 쌓은 얇은 막)으로 전파돼, 이것이 스스로 형태를 바꿔 확장된다는 사실을 새롭게 규명했다. 이번 결과는 실제 산업 현장에서의 무결점 웨이퍼 양산 수율 확보에 직접적인 기반이 될 것으로 연구계 및 산업계는 기대하고 있다.

KERI 나문경 박사는 "그동안 전력반도체 성능을 저하시켰던 거대 사다리꼴 결함의 복잡한 내부 구조와 진화 과정을 원자 단위에서 세계 최초로 밝혀낸 뜻깊은 성과"라며, "연구원의 성과는 우리나라가 고품질 SiC 전력반도체를 양산하는 데 든든한 기술적 뼈대가 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구 결과는 혁신성을 인정받아 금속 및 무기재료 분야 세계 최고 수준의 권위지인 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia, JCR 상위 5% 이내, IF 10.7)'에 게재됐다. 특히 심사가 까다로워 최종 승인까지 통상 4개월 이상 소요되는 관례를 따름에도 불구하고 SiC 전력반도체 구조 결함의 근본적인 이해를 높였다는 점에 이례적인 평가를 받으며, 투고 후 단 2개월 만에 초고속으로 게재되는 등 놀라운 성과를 거뒀다.

앞서 KERI는 지난해 부산에서 열린 제22회 국제탄화규소학술대회(ICSCRM)에서도 구두 발표 4편을 포함한 총 8편의 연구 결과를 발표해 최고 수준의 연구력을 입증한 바 있다.

이번 공동 연구팀은 향후 SiC를 넘어 와이드밴드갭(WBG) 등 차세대 전력반도체의 결함 생성 메커니즘을 심층 연구할 계획이다. 다년간 축적한 연구 경험을 토대로 차세대 소재 전반에 대한 '구조 결함'의 물리적 이해를 높이고, 검증 기준을 세계 최초로 확립하는 것이 목표다. 이를 통해 대한민국 전력반도체 기술을 초격차 수준으로 끌어올리고 생태계 발전에 기여한다는 방침이다.

한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 이번 연구는 산업부 '화합물전력반도체고도화기술개발사업(주관기관 SK실트론)'의 지원을 받아 수행됐다.