[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국전기연구원은 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대학교 홍순구 교수팀, 분석 전문기업 호리바에스텍코리아와 공동 연구를 통해 탄화규소(SiC) 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 치명적인 불량인 '킬러 결함(적층 결함)' 원인을 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다.

SiC전력반도체는 규소(Si)와 탄소(C)를 1대 1로 결합해 만드는데 기존의 단일 실리콘 전력반도체보다 10배의 전압과 3배의 고온 환경을 견디며 전력 변환 효율을 극대화하는 차세대 전력반도체로 꼽힌다.

최근에는 AI 데이터센터와 전기차 수요 급증으로 전 세계 기업들이 고품질 반도체의 대량 생산을 위해 치열하게 경쟁하고 있다.

이러한 SiC전력반도체는 기판 위에 탄소와 실리콘 원자를 층층이 정교하게 쌓아 올리는 '에피택시(Epitaxy) 공정'을 거쳐 완성된다.

얇은 실을 촘촘히 엮어 옷감을 짜는 과정과 유사하여 원자 배열이 조금이라도 어긋나면 치명적 불량인 '적층 결함'이 발생해 반도체 칩 전체의 수율을 크게 떨어뜨린다.

그 중에서도 길이 약 1㎜(머리카락 굵기의 10배)의 막대 모양 '사다리꼴 결함(TZD, Trapezoidal Defect)'은 전류 흐름을 막고 반도체 칩 전체를 망가뜨리는 주범으로 꼽혀왔다.

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, Density Functional Theory) 계산 등 8가지에 달하는 해석 기법 융합 연구를 시도했다.

구미전자정보기술원의 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM)을 비롯해, 한국과학기술정보연구원의 누리온 슈퍼컴퓨터, 포항방사광가속기의 싱크로트론 장비 등 국가 최첨단 인프라를 총동원하여 1년여 연구를 진행한 결과, 사다리꼴 결함 내부에 최대 32층으로 구성된 다수의 결함이 복잡하게 얽혀 있다는 사실을 새롭게 밝혀냈다.

나아가 반도체 제조 과정 중에도 결함이 에피층(반도체 물질을 층층이 쌓은 얇은 막)으로 전파되고 스스로 형태를 바꾸며 확장된다는 점도 새롭게 확인했다.

KERI 나문경 박사는 "그동안 전력반도체 성능을 저하시켰던 거대 사다리꼴 결함의 복잡한 내부 구조와 진화 과정을 원자 단위에서 세계 최초로 밝혀낸 뜻 깊은 연구 성과"라며 "이번 성과는 실제 산업 현장에서의 무결점 웨이퍼 양산 수율 확보에 직접적인 기반이 되고, 우리나라가 고품질 SiC전력반도체를 양산하는 데 든든한 기술적 뼈대가 될 것"이라고 강조했다.

연구 결과는 그 혁신성을 인정받아 금속·무기재료 분야 세계 최고 권위지 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia, JCR 상위 5% 이내, IF 10.7)'에 게재됐다.

심사가 까다로워 최종 승인까지 통상 4개월 이상 소요되는 저널임에도 SiC전력반도체 구조 결함의 근본적인 이해를 높이는 데 크게 기여했다는 평가를 받으며 투고 후 단 2개월 만에 초고속으로 게재됐다.

공동 연구팀은 앞으로 SiC를 넘어 와이드밴드갭(WBG) 등 차세대 전력반도체의 결함 생성 메커니즘을 연구할 계획이다.


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