AI 반도체·전기차 성능 갉아먹던 '킬러 결함' 정체 밝혔다[과학을읽다]

전기연, SiC 전력반도체 사다리꼴 결함 구조 세계 첫 규명
수율 저하 원인 밝혀…고품질 웨이퍼 양산 기반 마련

인공지능(AI) 데이터센터와 전기차의 핵심 부품으로 주목받는 탄화규소(SiC) 전력반도체의 수율을 떨어뜨리는 대표적 '킬러 결함'의 정체가 세계 최초로 밝혀졌다. 반도체 생산 과정에서 발생하는 치명적 불량의 생성 원리가 규명되면서 차세대 전력반도체의 품질과 생산성을 높일 수 있는 기반이 마련됐다는 평가다.

한국전기연구원(KERI)은 나문경 차세대반도체연구센터 박사팀이 홍순구 충남대 교수팀, 호리바에스텍코리아와 공동으로 SiC 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 사다리꼴 결함(TZD·Trapezoidal Defect)의 내부 구조와 발생 원인을 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다.

SiC 전력반도체 공정에서의 사다리꼴 결함 규명 연구에 활용된 국가 첨단 인프라. (왼쪽 위부터 시계 방향) MiPLATO-SiC(호리바에스텍코리아), 주사투과전자현미경(구미전자정보기술원), 누리온 슈펴컴퓨터(한국과학기술정보원), 싱크로트론가속기(포항가속기연구소). KERI 제공

SiC 전력반도체는 기존 실리콘 전력반도체보다 높은 전압과 고온 환경을 견딜 수 있어 전기차와 재생에너지, AI 데이터센터 등에 필수적인 차세대 반도체로 꼽힌다.

하지만 제조 과정에서 발생하는 결정 구조 결함은 수율을 크게 떨어뜨리는 요인으로 지목돼 왔다. 특히 길이가 약 1㎜에 달하는 사다리꼴 결함은 전류 흐름을 방해하고 칩을 손상시키는 대표적인 '킬러 결함'으로 알려져 있었지만, 정확한 구조와 생성 과정은 규명되지 못했다.

국가 첨단 인프라 총동원해 원인 추적

연구팀은 사다리꼴 결함 내부에 나타나는 특이한 줄무늬 구조에 주목했다. 광발광 매핑, 스펙트럼 분석, 원자 단위 해석, 밀도범함수이론(DFT) 계산 등 8가지 분석 기법을 융합해 결함 구조를 정밀 분석했다.

또 구미전자정보기술원의 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM), 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 누리온 슈퍼컴퓨터, 포항방사광가속기 등 국가 첨단 연구 인프라를 활용해 1년 넘게 연구를 진행했다.

그 결과 연구팀은 사다리꼴 결함 내부에 최대 32개 층에 달하는 복합 결함 구조가 존재한다는 사실을 확인했다. 또한 결함이 반도체 제조 과정에서 에피층을 따라 계속 전파되고 스스로 형태를 바꾸며 확장된다는 점도 밝혀냈다.

KERI 연구 결과가 SiC 전문 국제 학술대회인 ICSCRM 2025에 소개됐다. KERI 제공

이번 연구는 SiC 전력반도체 생산 과정에서 결함을 제어하고 무결점 웨이퍼 양산 기술을 확보하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

나문경 KERI 박사는 "전력반도체 성능을 저하시켜 온 거대 사다리꼴 결함의 복잡한 내부 구조와 진화 과정을 원자 단위에서 세계 최초로 규명했다"며 "고품질 SiC 전력반도체 양산을 위한 기술적 기반이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 금속·무기재료 분야 최고 권위 학술지인 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia)'에 게재됐다. 통상 4개월 이상 걸리는 심사 과정을 거쳐야 하는 학술지임에도 투고 후 2개월 만에 게재 승인을 받으며 연구 성과의 중요성을 인정받았다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr