한국 연구진, SiC 결함 신호 파장 459nm 확인…15년간 이어진 검사 지침에 이의 제기

결함 104,439건 분석해 잘못된 식별 신호 밝혀내

한국 연구진이 9개 공급업체의 상용 웨이퍼 207장에서 적층 결함 104,439건을 조사한 끝에 탄화규소 전력 반도체 결함의 새로운 발광 신호를 확인했다. 이번 발견은 반도체 검사에 사용되는 국제 표준 IEC 63068-3:2020에 포함된 식별 기준값을 개정할 과학적 근거를 제시한다.

표준 (4,1) 프랭크형 적층 결함으로 알려진 이 결함은 실온에서 459나노미터의 특징적인 파장으로 빛을 방출한다. 약 15년 동안은 국제전기기술위원회(IEC) 지침에 반영된 424나노미터와 연관된 것으로 여겨졌다.

한국전기연구원 차세대반도체연구센터 나문경 책임연구원이 연구를 이끌었으며, 충남대학교 홍순구 교수 연구팀과 HORIBA STEC Korea, SK실트론 등 여러 기관이 협력했다. 연구진은 개별 결함에서 나오는 빛을 실제 원자 배열의 이미지와 연결했다.

연구팀의 Acta Materialia 연구는 광학 측정, 원자 구조를 보여주는 현미경 분석, 재료 내부에서 전자가 어떻게 움직이는지에 대한 계산을 결합했다. 이 방법들을 종합해 표준 (4,1) 결함의 특징적인 신호가 459나노미터임을 확인했다.

이번 연구의 실질적인 목표는 전기차와 충전기, 재생에너지 설비에 쓰이는 재료를 더 정확하게 검사하는 것이다. 제조업체는 결함의 원인을 추적하고 생산 공정을 조정하기 전에 어떤 결함을 관찰하는지 알아야 한다. 이번 연구는 검사 지침을 검토할 근거를 제공하지만, IEC 표준의 공식 개정과 공장 도입, 이에 따른 소자 신뢰성 향상에는 추가 작업이 필요하다.

원자 배열의 작은 변화가 중요한 이유

통상 SiC로 줄여 부르는 탄화규소는 높은 전압과 온도를 견디면서 전기를 제어해야 하는 장비에 유용하다. 전력 반도체는 차량 구동 시스템과 재생에너지 설비를 비롯해 전력을 스위칭하고 변환하는 데 쓰인다.

웨이퍼는 소자를 만드는 데 사용하는 얇은 반도체 재료 조각이다. 이번 연구는 원자가 특정한 반복 적층 패턴을 이루는 탄화규소 형태인 4H-SiC를 대상으로 한다. 에피택셜 웨이퍼는 소자 제작을 위해 표면에 결정층을 추가로 성장시킨 웨이퍼다.

규칙적인 배열이 깨지면 적층 결함이 생긴다. 일부 결함은 층이 빠지거나 삽입돼 발생하고, 다른 결함은 결정의 일부가 서로 어긋나며 미끄러질 때 생긴다. 색깔 있는 종이를 가지런히 쌓아 놓은 모습에 비유하면, 종이를 더하거나 빼거나 밀어 움직일 때 주변의 패턴이 달라지는 것과 같다.

원자 배열은 전자가 움직이고 에너지를 방출하는 방식에 영향을 준다. 따라서 결함은 소자의 전기적 특성과 검사 과정에서 방출되는 빛을 모두 바꿀 수 있다. (4,1)이라는 표기는 결함의 크기를 나타내는 것이 아니라 특정한 적층 순서를 간략히 나타낸 것이다.

빛이 잘못된 지문이 된 경위

광발광(PL) 검사는 웨이퍼에 빛을 비추고 재료에서 되돌아오는 빛을 측정한다. 결함은 특징적인 방출 신호를 낼 수 있어 검사 장비가 웨이퍼를 파괴하지 않고도 결함의 위치를 찾고 분류할 수 있다.

파장은 빛의 파동에서 연속된 마루 사이의 거리를 측정한 값이다. 1나노미터는 10억분의 1미터다. 수정된 신호인 459나노미터는 기존 값인 424나노미터보다 35나노미터 길며, 종전 지정값을 기준으로 약 8.3% 차이가 난다.

서로 다른 원자 결함도 비슷한 파장의 빛을 방출할 수 있다. 따라서 검사 시스템은 각 광학 신호와 그 신호를 내는 구조 사이의 관계를 신뢰할 수 있게 파악해야 한다. 관계가 잘못 설정되면 장비가 실제 결함을 찾아내고도 이름을 잘못 붙일 수 있다.

기존의 424나노미터 지정값은 이번 연구에서처럼 광학 신호와 원자 구조를 직접 대조하는 과정을 거치지 않은 채 확립됐다. 연구진은 빛을 측정했던 정확한 위치를 다시 조사해 이 문제를 해결했다.

웨이퍼 전체에서 개별 원자층까지

연구팀은 상용 웨이퍼 207장을 폭넓게 조사하는 것으로 연구를 시작했다. 단일 연구용 시료의 좁은 영역이 아니라 9개 공급업체의 제품을 살펴볼 수 있는 규모였다. 상용 재료에서 프랭크형 적층 결함이 중요한 결함군으로 나타났다.

이어 연구진은 개별 결함을 선정해 자세히 조사했다. PL 측정으로 결함의 위치와 방출 파장을 기록한 뒤 집속 이온빔을 이용해 같은 위치에서 매우 얇은 시료를 준비했다. 전체 연구에서 프랭크형, 쇼클리형 및 기타 적층 결함 구조를 포함한 시료 176개를 조사했다.

HAADF HR-STEM으로 약칭되는 첨단 전자현미경 기법으로 원자 배열을 확인했다. 정식 명칭은 고각 환형 암시야 고분해능 주사 투과 전자 현미경이다. 간단히 말해 매우 얇은 시료에 전자를 통과시키고 산란된 전자를 이용해 원자 기둥을 구분할 수 있을 만큼 정밀한 이미지를 만든다.

집중 조사에는 459나노미터를 방출하는 독립적인 결함 9개가 포함됐다. 연구진은 그중 6개에서 실제 (4,1) 원자 구조를 확인했다. 측정된 빛 신호와 관찰된 적층 배열을 직접 연결한 결과가 수정된 지정값의 실험적 근거가 됐다.

연구를 이끈 한국전기연구원 책임연구원 나문경은 두 측정을 연결한 의미를 다음과 같이 설명했다.

빛 신호를 실제 원자 구조와 직접 연결해 오랫동안 받아들여져 온 국제 식별 표준의 오류를 바로잡았다는 점에서 의미가 큽니다.

슈퍼컴퓨터 계산으로 확인한 내용

연구진은 결함의 특성을 계산하기 위해 밀도범함수이론(DFT)도 활용했다. DFT는 재료 내 전자의 거동을 추정하는 방법으로, 원자 배열을 에너지 준위와 가능한 광학 신호에 연결하는 데 도움을 준다.

세 가지 이론 계산 방법은 관련 발광 파장을 약 444~450나노미터로 추정했다. 실온에서 측정된 파장은 459나노미터였다. 따라서 계산 결과는 기존의 424나노미터보다 450나노미터에 가까운 발광을 뒷받침했지만, 실험 측정값과 수치상 차이는 남았다.

논문은 이러한 계산을 현미경 분석 및 재료가 파장별로 얼마나 강하게 빛을 방출하는지 측정하는 PL 분광법과 함께 제시한다. 실험 측정값은 검사 기준인 459나노미터를 제공하고, 계산은 구조와 빛의 관계를 살펴보는 또 다른 방법을 제시한다.

더 폭넓은 계산에서는 적층 결함의 에너지와 전자 밴드 구조도 비교했다. 결함 에너지는 결정에 특정한 교란이 생길 때 드는 에너지를 뜻한다. 전자 밴드 구조는 전자가 점유할 수 있는 에너지 상태를 나타내며, 서로 다른 결함이 광학적으로 다르게 나타나는 이유를 설명하는 데 도움이 된다.

2024년 연구도 기존의 결함 지도를 문제 삼아

2024년 6월 1일 Materials Science in Semiconductor Processing에 발표된 앞선 웨이퍼 검사 연구는 상용 웨이퍼 70장에서 적층 결함 약 5만 건을 조사했다. 이 연구도 광학 측정과 선정된 원자 구조의 직접 분석을 함께 수행했다.

해당 연구에서는 단일 쇼클리형 (3,1) 적층 결함이 424나노미터에서 검출됐다. 이 파장은 기존에 프랭크형 (4,1) 결함과 연관된 것으로 여겨졌다. 연구진은 420~430나노미터 사이의 빛을 방출하는 결함을 조사했지만, 그 범위에서 예상된 (4,1) 구조를 관찰하지 못했다.

2024년 연구는 고유 프랭크형 (5,2) 결함의 특징 신호도 기존에 보고된 488나노미터가 아니라 482~484나노미터로 재지정했다. 해당 파장대에서 조사된 구조는 앞선 파장 지정으로 예상된 삼중 쇼클리형 (5,3) 결함이 아니라 주로 (5,2) 결함이었다. 조사에서는 (5,3) 결함이 관찰되지 않았다.

서로 가까운 다른 신호들도 더 명확히 구분됐다. 연구진은 다층 프랭크형 (4,2) 결함을 457나노미터에서, 사중 쇼클리형 (4,4) 결함을 462나노미터에서 측정했다. 정확한 보정과 직접적인 구조 검증을 통해 불과 몇 나노미터 차이로 빛을 방출하는 결함들을 구별할 수 있었다.

새 연구는 웨이퍼를 70장에서 207장으로 거의 세 배 늘렸고, 기록된 결함도 약 5만 건에서 104,439건으로 두 배 넘게 늘렸다. 이번 진전은 구체적이기도 하다. 앞선 연구에서 424나노미터 부근에 예상된 (4,1) 구조가 발견되지 않은 데 이어, 새 연구는 이 구조를 459나노미터와 연결했다.

결함 분류 방식도 재검토한 논문

Acta Materialia 논문은 파장 하나를 대체하는 데 그치지 않는다. 프랭크형 적층 결함을 고유형과 외인성으로 분류하는 방식도 재검토한다. 두 용어는 결함이 주변 결정 구조와 맺는 관계를 설명한다.

저자들은 프랭크의 기존 결정학적 정의를 적용해 널리 논의된 (3,2) 결함을 삽입 과정으로 형성되더라도 고유형으로 분류한다. 분류는 그 결과로 형성된 결정 배열을 기준으로 하며, 형성 과정은 그 배열이 어떻게 만들어졌는지를 설명한다.

원자 관찰 결과 표준 (5,2), (4,2), (4,1) 결함 사이의 구조적 연관성도 확인됐다. 이러한 관찰은 구조가 서로 변해 갈 수 있는 한 가지 경로를 뒷받침한다. 이 연관성을 이해하면 재료 성장이나 가공 과정에서 특정 결함이 나타나는 이유를 조사하는 데 도움이 될 수 있다.

저자들은 비표준 결함의 경우 동일한 적층 순서를 나타내는 숫자 표기인 즈다노프 표기법이 고유형과 외인성 배열을 모두 가리킬 수 있음을 확인했다. 따라서 표기를 해석하려면 주변의 결정학적 배열도 함께 살펴봐야 한다.

계산 결과 (1,1) 및 (2,1) 결함의 차이도 추가로 확인됐다. 두 결함의 전자적 특성은 탄화규소의 2H 형태와 유사한 반면, 연구된 대부분의 결함은 입방정계 3C 형태와 유사한 상태를 보였다. 이 결과는 결함 분류와 원자 적층 변화가 전자적·광학적 거동에 미치는 영향에 관한 논문의 폭넓은 설명을 연결한다.

논문 발표와 수상, 다음 단계

연구 결과는 2026년 10월 발표됐다. 한국전기연구원 발표를 전한 자료에는 발표일이 10월 23일과 10월 25일로 각각 기재돼 있다. 연구는 9월 8일 게재된 것으로 보도됐으며, Acta Materialia는 이 논문을 2026년 12월 1일자 제321권 논문번호 122747로 수록했다.

주요 일정을 보면 이번 발견은 2년 넘게 이어진 연구의 연장선에 있다.

• 2024년 6월 1일: 앞선 연구가 웨이퍼 70장에서 결함 약 5만 건을 조사하고 기존의 여러 파장 지정에 의문을 제기했다.
• 2026년 9월 8일: 새 Acta Materialia 연구가 발표된 것으로 보도됐으며, 표준 (4,1) 결함을 459나노미터와 연결했다.
• 2026년 10월: 한국전기연구원이 웨이퍼 207장과 결함 104,439건을 대상으로 한 광범위한 연구 결과를 발표했다.
• 2026년 12월 1일: 해당 논문이 수록된 Acta Materialia 권의 발행일이다.

이번 과제는 산업통상자원부의 화합물 전력 반도체 고도화 기술개발 사업의 지원을 받았다. 논문은 수정 요청 없이 게재 승인됐으며, Journal Citation Reports에서 해당 분야 상위 5% 이내로 평가되는 학술지에 실렸다.

나 책임연구원은 SiC 결함 분석 연구로 2026년 HORIBA 마사오상에서 장려상을 받았다. 한국전기연구원에 따르면 2004년 상이 제정된 이래 한국 연구기관 소속 연구자가 이 상을 받은 것은 처음이다.

제조업체가 당장 해야 할 일은 수정된 식별 기준을 기존 검사 절차에 어떻게 적용할지 검토하는 것이다. 결함을 더 정확히 분류하면 엔지니어가 결함을 성장 또는 가공 조건과 연관 지어 원인을 추적하고, 어떤 변경 사항을 시험할지 결정하는 데 도움이 될 수 있다. 이번 연구가 궁극적으로 목표하는 것은 결함 검출에서 원인 파악과 제어까지 이어지는 과정을 더 정확하게 만드는 것이다.

핵심 내용

• 4H-SiC의 표준 (4,1) 프랭크형 적층 결함은 실온에서 459나노미터의 빛을 방출하며, 이는 기존의 424나노미터 지정값과 다르다.
• 연구진은 9개 공급업체의 상용 웨이퍼 207장에서 적층 결함 104,439건을 조사했다.
• 연구진은 초박형 시료 176개를 분석했으며, 459나노미터를 방출하는 집중 조사 대상 결함 9개 중 6개에서 (4,1) 구조를 확인했다.
• 계산 결과 발광 파장은 약 444~450나노미터로 추정돼 450나노미터에 가까운 신호를 뒷받침했다.
• 2024년 연구에서는 다른 결함인 단일 쇼클리형 (3,1) 결함이 424나노미터에서 확인됐다.
• 이번 연구 결과는 IEC 검사 지침을 검토하고 결함 분류를 개선할 과학적 근거를 제공한다.
• 나문경 책임연구원은 2026년 HORIBA 마사오상에서 장려상을 받았다.