▲ KERI가 SiC 전력반도체 공정에서 발생하는 거대 사다리꼴 결함의 복잡한 내부 구조와 원자 단위에서 진화 과정을 세계 최초로 밝혀냈다.

국내 연구진이 SiC(탄화규소) 전력반도체 제조 공정에서 발생하는 결함의 원인을 세계 최초로 규명해 웨이퍼 양산 수율 향상에 기여할 전망이다.

한국전기연구원(KERI)은 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대학교 홍순구 교수팀, 분석 전문기업 호리바에스텍코리아와 공동 연구를 통해 SiC 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 치명적인 불량인 ‘킬러(적층) 결함’의 내부 구조와 발생 원리를 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다.

고온·고압의 가혹한 환경을 견디며 전류 방향과 전력 변환을 제어하는 SiC 전력반도체는 최근 AI 데이터센터와 전기차 수요 급증으로 인해 전 세계 기업들이 고품질 반도체 제품의 대량 생산을 위해 치열하게 경쟁하고 있다.

이러한 SiC 전력반도체는 기판 위에 탄소와 실리콘 원자를 한 층씩 정교하게 쌓아 올리는 에피택시(Epitaxy) 공정을 거쳐 완성된다. 이는 얇은 실을 촘촘히 엮어 옷감을 짜는 과정과 유사해, 원자 배열이 조금이라도 어긋나면 치명적인 불량인 ‘킬러 결함’이 발생해 반도체 칩 전체의 수율을 크게 떨어뜨린다.

그중에서도 길이 약 1mm에 달하는 막대(Bar-shaped) 모양의 ‘사다리꼴 결함(TZD, Trapezoidal Defect)’은 전류의 흐름을 막고 칩 전체를 망가뜨리는 주범으로 꼽혀왔다. 이 결함은 그 크기와 모양만 다를 뿐 기존의 결함과 같은 본질적 특성을 가지는 것으로 알려져 있었다.

이에 공동 연구팀은 그동안 아무도 주목하지 않았던 사다리꼴 결함 내부에 관찰된 특이한 줄들에 주목했고, 결함의 실체적 구조를 밝히기 위해 광 발광 매핑, 스펙트럼 분석, 원자 레벨 해석, 밀도범함수이론(DFT) 계산 등 총 8가지에 달하는 다각적 해석 기법을 융합해 연구를 시도했다.

이를 위해 구미전자정보기술원의 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM)을 비롯해, 한국과학기술정보연구원의 누리온 슈퍼컴퓨터, 포항방사광가속기의 싱크로트론 장비 등 국가 최첨단 인프라를 총동원하여 1년 이상 연구를 수행했다.

그 결과, 사다리꼴 결함 내부에 사실은 최대 32층으로 구성된 다수의 결함들이 복잡하게 얽혀 있다는 사실을 새롭게 밝혀냈다. 나아가 반도체가 제조되는 과정 중에도 결함이 에피층으로 전파되며, 더 나아가 스스로 형태를 바꾸고 확장된다는 점도 새롭게 확인했다.

이번 연구 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.

한편 이번 연구는 산업통상부 ‘화합물전력반도체고도화기술개발사업(주관기관 SK실트론)’의 지원을 받아 수행됐다. 결과는 금속 및 무기재료 분야 세계 최고 수준의 권위지인 ‘악타 머티리얼리아(Acta Materialia, JCR 상위 5% 이내, IF 10.7)’에 게재됐다.