SiC 트렌치 MOSFET의 산화막 보호와 온저항 사이의 선택

전력반도체 개발팀에서 트렌치 아래 p형 차폐영역을 늘려 게이트 산화막의 전계를 낮췄다고 가정해 보겠습니다. 이 설계가 곧바로 개선된 소자라고 볼 수 있을까요? 전류통로가 좁아져 온저항이 증가하거나 산화막 계면의 신뢰성이 달라지면 판단이 달라집니다. 특허분석에서도 단지 'p형 차폐영역이 있다'는 설명만으로는 서로 다른 권리범위를 구분하기 어렵습니다.

1. 산화막 보호와 전류 흐름은 동시에 설계해야 합니다

SiC(탄화규소)는 높은 임계전계와 고온 특성 때문에 전력변환 소자에 활용됩니다. 수직형 n채널 트렌치 MOSFET을 예로 들면, 게이트에 전압을 인가한 ON 상태에서 트렌치 측벽을 따라 반전채널이 형성되고 전류가 소스에서 드리프트 영역을 거쳐 드레인으로 흐릅니다. 반대로 OFF 상태에서 높은 드레인 전압을 차단하면 트렌치 바닥 모서리에 전계가 집중될 수 있습니다.

트렌치 아래 p형 차폐영역(p-shield)은 그 국부 전계를 낮추는 설계수단이 될 수 있습니다. 하지만 차폐영역이 n형 JFET 전류통로를 지나치게 좁히면 온저항(Ron,sp)이 올라갈 수 있습니다. 따라서 OFF 상태의 최대 산화막 전계·항복전압과 ON 상태의 면적정규화 온저항, 스위칭 특성을 함께 살펴야 합니다. 2024년 SiC Fin-Channel MOSFET 연구와 2025년 p-shield island 관련 IEEE 연구도 서로 다른 소자·시험조건에서 이 상충관계를 검토했습니다.

2. 후지전기 첫 번째 특허 — 두 p형 영역과 JFET의 길이관계를 함께 보호합니다

후지전기의 미국 등록특허 US12720832B2는 2026년 8월 25일 등록됐습니다. 독립 장치항 1은 트렌치 바닥보다 아래의 두 p형 고농도영역을 요구합니다. 첫째 고농도영역은 트렌치 바닥과 마주하되 몸체영역과 떨어져 있고, 둘째는 몸체영역에 닿되 첫째 고농도영역과 트렌치에서 떨어져 있습니다.

더 중요한 점은 두 고농도영역 사이의 n형 JFET 제1구간과 트렌치 측벽까지 이어지는 JFET 제2구간의 접촉관계입니다. 제1 고농도영역은 트렌치 측벽보다 둘째 고농도영역 쪽으로 횡방향 돌출(overhang)되어야 하고, JFET 제2구간의 깊이방향 두께는 이 돌출길이 이하여야 합니다. 둘 다 길이 단위이지만 서로 다른 방향을 측정하는 조건입니다.

등록 종속항 6의 JFET 불순물 농도 5.0×10¹⁶~1.6×10¹⁷cm⁻³와 종속항 8의 돌출길이 0.25~0.4μm는 추가 한정입니다. 그 수치를 독립항 1에 임의로 집어넣어서는 안 됩니다. 이 구조를 실제 제품과 비교할 때는 마스크 레이아웃 외에도 주입·열처리 후 단면의 도핑 경계와 두 고농도영역의 이격·접촉을 확인해야 합니다.

그림은 구조변경을 평가할 때 전류특성과 저항을 함께 비교해야 하는 이유를 이해하게 합니다. 이 특허의 공개공보 US20240297223A1에도 독립항 1의 주요 기하관계가 존재합니다. 공개와 등록 사이에 언제나 독립항이 크게 달라지는 것은 아닙니다.

3. 인피니언 특허 — 도핑농도 150%와 폭 20%는 성능 수치가 아닙니다

인피니언의 미국 등록특허 US12471302B2는 2025년 11월 11일 등록됐습니다. 이 특허는 채널이 형성되는 활성(active) 트렌치 측벽과 다른 트렌치의 비활성(inactive) 측벽에 닿는 차폐영역을 구분하고, 소스 아래 몸체영역과 그 차폐영역의 농도·형상에 주목합니다.

등록 독립항 1은 적어도 하나의 동일 수평면에서 소스 아래 첫 번째 몸체구간(first body portion)의 도핑농도가 활성측벽의 참조 도핑농도의 150% 이상(1.5배 이상), 그 구간의 수평 폭이 몸체영역 전체 수평 폭의 20% 이상이라는 관계를 요구합니다. 그리고 인접 차폐영역의 횡방향 도핑농도 차이가 해당 구간 농도의 ±10% 이내여야 합니다. 150%는 도핑이 150%만큼 증가했다는 뜻이 아니라 참조값의 1.5배 이상이라는 뜻입니다.

같은 등록공보의 독립항 6도 150% 농도비와 20% 폭 조건을 포함하지만, 대신 차폐영역에서 몸체영역 쪽으로 돌출되는 bulge 형상을 필수로 규정합니다. 독립항 1에 들어 있는 ±10% 농도일치 요건은 독립항 6의 필수문언이 아니며 종속항 8에서 추가됩니다. 한 농도 조건만 바꾸면 이 특허 전체를 회피할 수 있다고 판단해서는 안 됩니다.

공개공보 US20220085186A1의 독립항 1에는 150% 농도비와 20% 폭이 있었지만 ±10% 조건은 종속항 3에 있었습니다. 등록 독립항 1에는 이 조건이 포함됐고, 공개 종속항 6에서 보이던 bulge 특징은 등록의 별도 독립항 6에 반영됐습니다. 공보 문언의 이동은 확인되지만 특정 심사관 의견 때문에 이런 보정이 이뤄졌다는 인과관계까지 확정된 것은 아닙니다.

4. 후지전기 두 번째 특허 — 게이트 산화막은 전체 두께와 계면 3nm가 다릅니다

후지전기의 다른 등록특허 US12550368B2는 2026년 2월 10일 등록됐습니다. 앞서 본 p형 차폐영역 특허와 달리 트렌치 안쪽 게이트 절연막 자체의 물성을 청구합니다.

독립 장치항 1은 SiC 기판 주면이 Si-plane, 트렌치 측벽이 m-plane인 결정면 관계와 함께, 50~80nm 두께의 고온 산화막, 2.21~2.38g/cm³ 밀도, 그리고 트렌치 바닥 산화막 밀도가 측벽 부분보다 높은 관계를 요구합니다. 단순히 SiO₂라는 재료 이름만 일치한다고 전체 구성이 충족되는 것은 아닙니다.

등록 독립항 1에는 SiC/산화막 계면에서 3nm 이내의 저밀도층과 계면에서 적어도 3nm 떨어진 고밀도층이 함께 규정돼 있습니다. 반면 종속항 3의 계면 질소농도 5×10²⁰ atoms/cm³ 이상, 종속항 8의 바닥 고밀도층 밀도 2.29g/cm³ 이상은 추가 한정입니다. 따라서 막 두께·평균 밀도·깊이별 밀도구배·질소농도는 하나의 시험값으로 대신할 수 없습니다.

공개 US20220406931A1의 독립항 1은 산화막 두께를 50nm 이상으로 기재했고, 3nm 근처의 이중 밀도층은 종속항 3에 존재했습니다. 등록 독립항 1에는 80nm라는 두께 상한과 계면의 이중층 구조가 포함됩니다. 같은 공정의 오래된 공개청구항을 등록청구항으로 그대로 인용하면 권리범위 판단이 달라질 수 있습니다.

5. 같은 산화막이라도 완성품 구조와 제조방법은 따로 확인합니다

등록 독립 제조방법항 10은 트렌치 형성 후 산화막을 형성·열처리하고 게이트전극을 형성하는 순서에 더해, Si-plane/m-plane 결정면, 50~80nm 고온 산화막과 계면 이중층, 일산화질소(NO)·질소·산소 혼합가스에서 1,250~1,300°C 열처리를 규정합니다. 산소 유량을 전체의 5% 이하로 제한하는 구성은 독립항 10이 아니라 종속항 11에 있습니다.

완성품 단면에서 산화막의 두께를 관찰했다고 해서 제조 당시의 가스 조성·온도·순서까지 확인되는 것은 아닙니다. 반대로 공정 조건이 다른 것처럼 보이더라도 제품항이 요구하는 구조·물성은 별도로 비교해야 합니다. 3nm 계면층의 밀도는 단순 단면영상만으로 확정하기 어렵기 때문에 분석법의 공간분해능과 정량 교정도 필요합니다.

6. 마치며 — 특허를 피하는 설계가 제품 성능도 지키도록 하려면

SiC 소자의 다음 개발을 검토할 때에는 두 종류의 표를 동시에 만드는 것이 유용합니다. 하나는 OFF 상태의 게이트 산화막 최대전계·항복전압과 ON 상태의 온저항·스위칭·고온 신뢰성을 비교한 성능시험표입니다. 다른 하나는 각 등록 독립항의 p형 영역 접촉, 횡방향 길이, 도핑농도비, 산화막 밀도와 제조순서를 실제 증거에 연결한 청구항 대응표입니다.

성능시험표에서 개선됐다고 해서 청구항 대응표의 법적 판단까지 자동으로 끝나지는 않습니다. 반대로 어느 한 청구항의 구성과 차이를 만들었다고 그 설계가 실제 제품으로 적합해지는 것도 아닙니다. 두 표를 같은 연구개발 일정에 놓고 시험할 항목과 변경할 설계를 함께 결정해야 합니다.

게이트를 보호하기 위해 바꾼 차폐구조가 실제 전류통로를 얼마나 바꾸었으며, 산화막 계면과 제조기록이 이를 어떻게 뒷받침하는가? 이 질문에 측정값으로 답할 수 있다면 회피설계와 다음 권리화의 우선순위를 더 구체적으로 정할 수 있습니다.