2450 SourceMeter SMU 계측기를 사용한 저항률 측정 및 4-포인트 프로브

2450 SourceMeter SMU 계측기를 사용한 저항률 측정 및 4-포인트 프로브

 

시작하며.

전기 저항률은 전류 흐름에 대한 재료의 저항을 수량화하는 기본 재료 특성이며, 이는 전도율의 역수입니다. 재료의 저항률은 재료 도핑, 가공 및 온도, 습도 등의 환경 요인에 따라 달라지고, 직렬 저항, 임계값 전압, 캐패시턴스 및 기타 매개 변수와 같은 재료의 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.


재료의 저항률을 측정하는 것은 연구 및 제작 환경 모두에서 일반적입니다. 저항률을 결정하는 방법은 여러 가지가 있지만 재료의 종류, 저항의 크기, 모양 및 두께에 따라 기술이 달라질 수 있습니다. 반도체나 전도성 코팅과 같은 얇고 평평한 물질의 저항률을 측정하는 가장 일반적인 방법 중 하나로 4-포인트 프로브를 사용합니다. 4-포인트 프로브 기술은 동일한 간격으로 4개의 프로브를 저항 재료와 접촉시키는 것을 포함합니다. 외부 2개의 프로브 사이에 DC 전류가 인가되고 전압계는 내부 2개의 프로브 간의 전압차를 측정합니다. 저항률은 기하학적 요인, 소스 전류 및 전압 측정을 통해 계산됩니다. 이 테스트에 사용되는 계측기에는 DC 전류원, 전압계 및 4-포인트 프로브가 포함됩니다.


측정을 간소화하기 위해 단일 계측기인 모델 2450 Source Measure Unit (SMU) 계측기를 사용할 수 있습니다. 이 장비는 전류와 전압을 모두 소싱하고 측정할 수 있으며 저항 또는 저항률을 표시하도록 구성할 수 있습니다. 모델 2450을 사용하면 다양한 레인지의 테스트 전류 (from pA to A)를 선택할 수 있을 뿐만 아니라 uV 범위의 분해능으로 전압을 측정할 수 있습니다.

그림 1. 2450 SourceMeter SMU와 Lucas/Signatone Corporation(Gilroy, CA) 모델 SP4 4-Point Probe Head 및 S-302 테스트 스탠드

 

4-포인트 프로브 방식

4-포인트 프로브 기술은 동일한 간격으로 4개의 프로브를 저항 재료와 접촉시키는 것을 포함합니다. 프로브 헤드에 장착된 프로브는 그림 2의 저항률 테스트 회로와 같이 웨이퍼 중앙에 부드럽게 배치됩니다.

그림 2. 4-포인트 프로브 저항 테스트 회로

 

두 개의 외부 프로브 1과 4는 전류를 소싱하는 데 사용되며, 2개의 내부 프로브 2와 3은 샘플 표면 전체의 전압 강하를 측정하는 데 사용됩니다.

체적 저항률은 다음과 같이 계산됩니다.

여기서:

ρ = 체적저항률(Ohm-cm)

V = 프로브 2와 3 사이에서 측정된 전압

I = 소스 전류의 크기

t = 표본 두께 (cm)

k = 프로브 대 웨이퍼 직경 및 웨이퍼 두께와 프로브 간격의 비율에 기초한 보정 계수


박막 및 코팅과 같은 일부 재료의 경우 두께를 고려하지 않은 표면 저항률이 대신 결정됩니다. 표면저항률은 다음과 같이 계산됩니다.

여기서:

σ = 표면 저항 (Ohm/Square or Ohm)


시트 저항의 단위는 측정된 저항(V/I)과 구별하기 위해 Ohm/Square 단위로 표시된다는 점에 유의하십시오.


Kelvin 기술을 사용한 리드 및 접촉 저항 제거

4-포인트 프로브를 사용하면 프로브 저항, 각 프로브 아래의 확산 저항 및 각 금속 프로브와 반도체 재료 간의 접촉 저항으로 인한 측정 오류를 제거할 수 있습니다. 그림 3은 회로 저항의 일부를 보여주는 4-포인트 프로브 설정의 또 다른 예입니다.

그림 3. 회로 저항을 보여주는 설정 테스트

 

RL은 테스트 리드 저항을 나타냅니다. RC는 금속 프로브와 반도체 재료 사이의 접촉 저항을 나타냅니다. 접촉 저항은 RS로 표시되는 샘플 재료의 저항보다 수백 배에서 수천 배 더 높을 수 있습니다.

전류는 1/4번 리드 및 프로브의 모든 저항과 반도체 재료를 통해 흐릅니다. 그러나 전압은 프로브 2/3 사이에서만 측정됩니다. 프로브 2/3 사이에서 전류가 RS2를 통해서만 흐른다고 가정하면 RS2로 인한 전압 강하만 전압계에 의해 측정됩니다. 다른 모든 불필요한 리드(RL) 및 접촉(RC) 저항은 측정되지 않습니다.


보정 기법을 사용한 전압 오프셋 보정

정확도를 높이기 위해 전압 오프셋을 보정하는 기술을 적용할 수 있습니다. 전압 오프셋을 줄이는 보정 방법에는 오프셋 보정 방법과 전류 반전 방법 두 가지가 있습니다.

한 가지 방법은 0A에서 전압 측정을 수행한 다음 원하는 테스트 전류에서 이 값을 뺍니다. 이 방법은 오프셋 보정이라고 하며 모델 2450의 저항 모드에서 자동으로 수행할 수 있는 옵션입니다.

다른 기법인 전류 반전 방법은 오프셋 보정 방법과 유사하지만 신호 대 노이즈 비율이 더 우수합니다. 이 기술은 반대 극성의 전류를 사용하여 두 번의 측정을 수행하여 전압 오프셋을 취소합니다. 두 측정치의 평균을 구하면 최종 결과에서 전압 오프셋이 수학적으로 제거됩니다. 이 기술은 소프트웨어를 사용하여 모델 2450을 제어하거나 스크립트를 다운로드하여 수행할 수 있습니다.

자세한 내용은 Keithley의 Low Level Measurement Handbook을 참조하십시오.


4-포인트 프로브 접촉

4-포인트 프로브는 전면 패널 바나나 잭 또는 후면 패널 트라이엑시얼 커넥터를 사용하여 2450에 연결할 수 있습니다. 4-포인트 프로브에 연결된 2450을 나타내는 회로도가 그림 4에 나와 있습니다. Force 단자는 프로브 1 및 4에 연결되고 Sense 단자는 프로브 2 및 3에 연결됩니다. 높은 임피던스 재료에는 후면 패널의 트라이엑시얼 단자를 사용해야 합니다. 이 경우 모든 케이블, 프로브 및 샘플도 정전식으로 차폐해야 합니다.

그림 4. 2450과 4-포인트 프로브 헤드의 연결

 

테스트 설정

Probe를 2450의 입력 단자에 연결하고 시료를 척에 올린 후 다음 단계에 따라 시료의 저항률을 측정합니다.

1. 모델 2450에서 FUNTION 키를 누르고 Source Current 및 Measure Resistance(또는 전압)를 선택합니다. 전면 패널 터치 버튼을 사용하여 원하는 소스 전류 및 전압 소스 한계(Compliance)를 선택합니다. MENU 키, Measureing Settings, Sense Mode 버튼을 차례로 눌러 Sense Mode를 4-Wire로 설정합니다.

2. 핀이 시료와 접촉하도록 프로브 헤드를 내립니다.

3. 2450의 출력을 켜고 측정값을 관찰합니다. 판독값이 불안정해 보이면 테스트 전류를 증가시킵니다. Force HI와 Sense HI 사이 및 Force LO와 Sense LO 사이의 전압 강하가 5V를 초과하지 않도록 합니다.

4. 판독값에서 저항률을 계산합니다.

저항률은 내장된 "mx+b" 산술 함수를 사용하거나 스크립트를 사용하여 자동으로 계산할 수 있습니다. 스크립트는 2450에 다운로드할 수 있는 명령어 목록입니다. 간단한 스크립트를 실행하여 측정된 저항에서 Ohm/Square 단위의 저항률을 계산한 결과는 그림 5에 나와 있습니다. 계산된 저항률이 터치 스크린 하단에 표시됩니다.

그림 5. 샘플의 측정된 저항 및 저항률을 표시하는 2450

 

스크립트 작성 및 다운로드

전류 반전을 수행하여 전압 오프셋을 수정하거나 Ohm/Square 또는 Ohm-cm 단위로 측정을 표시하려면 스크립트를 생성하여 2450으로 다운로드할 수 있습니다. 스크립트는 USB 드라이브를 사용하여 계측기에 다운로드할 수 있는 TSP 명령 모음으로, 전면 패널에서 실행되며 메모리에 저장됩니다. 전면 패널 메뉴에서 추가 또는 삭제할 수 있습니다.

저항률 측정을 실행하는 스크립트는 부록 A를 참조 바랍니다. 이 스크립트에서 2450은 사용자가 지시한 테스트 전류를 사용하여 저항을 측정하여 전류 반전 보상 기술을 수행하도록 프로그래밍되어 있습니다. 그런 다음 표면 저항률(Ohm/Square)이 계산되어 전면 패널 하단에 표시됩니다. 스크립트 실행 결과를 그림 5에 나타냅니다.


스크립트 생성, 다운로드 및 실행 절차

2450에서 스크립트를 작성하고 실행하는 간단한 절차는 다음과 같습니다.

1. Notepad 또는 Test Script Builder(TSB) 소프트웨어를 사용하여 TSP 명령어세트를 사용하여 저항률 측정을 실행하는 스크립트를 만듭니다. TSB는 2450에 포함된 소프트웨어 도구입니다.이 툴을 사용하면 스크립트를 유닛에 다운로드하기 전에 실행할 수 있습니다. 사용자의 편의를 위해 이 응용 프로그램 노트에 나열된 스크립트를 복사하여 수정할 수 있습니다.

2. 스크립트를 USB 드라이브에 .tsp 파일로 저장하고 USB 드라이브를 2450 전면 패널 USB 포트에 삽입합니다.

3. USB 드라이브를 삽입하면 드라이브 상의 모든 .tsp 파일이 MANAGE SCRIPTS 창에 나타납니다. 여기에는 MENU 키를 누른 후 Manage Scripts(스크립트 관리)를 눌러 접근할 수 있습니다(그림 6 참조). 원하는 USB 스크립트를 누른 후 "<" 키를 눌러 내부 스크립트 목록에 추가합니다.

그림 6. [스크립트 관리(Manage Scripts)]창에서는 USB 드라이브에서 스크립트를 다운로드하여 메모리에 저장할 수 있습니다.

 

4. 스크립트가 내장 메모리에 저장되면 사용자는 그림 7과 같이 홈 메뉴에서 스크립트를 실행할 수 있습니다. 사용 가능한 스크립트를 표시하려면 홈 메뉴 상단에서 스크립트 없음 버튼을 누릅니다. 원하는 스크립트를 누르면 테스트가 자동으로 실행됩니다.

그림 7. 원하는 스크립트를 누르면 해당 스크립트가 자동으로 실행됩니다.

 

마치며.

Model 2450 SourceMeter SMU Instrument는 4-포인트 프로브 방법을 사용하여 샘플의 저항률을 측정하는 데 이상적인 도구입니다. 이 SMU 계측기는 전류를 소싱하고 4-Wire 방법을 사용하여 전압 또는 저항을 측정하여 리드 및 접점 저항이 측정에 영향을 미치지 않도록 할 수 있습니다. 2450을 사용하면 테스트 전류를 지정하고 오프셋 보상을 사용하여 저항을 측정하며 저항을 계산하고 결과를 계측기 디스플레이에 표시할 수 있습니다.