한국전기연구원(KERI)은 SiC(탄화규소) 전력반도체 제조과정에서 발생하는 치명적인 불량인 '킬러 결함'(killer defect)의 정체를 규명했다고 21일 밝혔다.

킬러 결함의 내부 구조와 발생 원리는 KERI 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀과 충남대 홍순구 교수팀, 분석 전문기업 호리바에스텍코리아의 공동 연구로 확인됐다.

SiC 전력반도체는 기존 단일 실리콘 전력반도체 대비 10배의 전압과 3배의 고온 환경을 견디며 전력 변환 효율을 극대화하는 차세대 전력반도체다.

최근 AI 데이터센터와 전기차 수요 급증으로 각국 기업들이 고품질 반도체 제품의 대량 생산을 위해 치열하게 경쟁하면서 더 주목받고 있다.

SiC 전력반도체는 기판 위에 탄소와 실리콘 원자를 한 층씩 정교하게 쌓아 올리는 '에피택시'(Epitaxy) 공정을 거쳐 완성된다.

원자 배열이 조금이라도 어긋나면 킬러 결함(적층 결함)이 발생해 반도체 칩 전체의 수율(결함이 없는 합격품의 비율)을 크게 떨어뜨린다.

특히 길이 약 1㎜의 막대 모양 '사다리꼴 결함'(TZD·Trapezoidal Defect)은 칩 전체를 망가뜨리는 주범으로 꼽혀왔다.

공동 연구팀은 결함의 실체적 구조를 밝히기 위해 사다리꼴 결함 내부에서 관찰되는 특이한 줄에 주목했다.

그러고는 광 발광 매핑, 스펙트럼 분석, 원자 레벨 해석, 밀도범함수이론 계산 등 8가지 다각적 해석 기법을 융합해 1년여간 연구를 진행했다.

연구에는 구미전자정보기술원의 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM), 한국과학기술정보연구원의 누리온 슈퍼컴퓨터, 포항방사광가속기의 싱크로트론 장비 등 국가 최첨단 인프라가 동원됐다.

연구팀은 그 결과 사다리꼴 결함 내부에 최대 32층으로 구성된 다수 결함이 복잡하게 얽혀있다는 사실을 새롭게 밝혀냈다.

또 반도체 제조과정 중에도 결함이 에피층(반도체 물질을 층층이 쌓은 얇은 막)으로 전파되면서, 더 나아가 스스로 형태를 바꾸고 확장된다는 점도 추가로 확인했다.

연구팀은 이번 연구가 고품질 SiC 전력반도체 양산에 기술적 뼈대가 될 것으로 기대한다.

연구 결과는 금속·무기재료 분야 최상위 국제 학술지인 '악타 머티리얼리아'(Acta Materialia, JCR 상위 5% 이내, IF 10.7)에도 게재됐다.