sheet resistance(면저항)과 4-point probe 장비

들어가는 글

sheet resistance(면저항)과 4-point probe 장비에 관해 알아보겠다. 반도체 공정에서는 패턴의 길이나 박막의 두께 등 무수히 많은 종류의 특성을 측정한다. 이번 포스팅에서는 그중 금속 박막 증착 후나 도핑 후에 살펴보는 면저항 (sheet resistance)에 관해 알아보도록 하겠다.

면저항의 의미와 정의

일반적인 저항 (선저항)과 면저항의 비교

면저항의 의미와 정의에 관해 알아보겠다. sheet resistance, 한국어로는 면저항이라고 하며 기호는 대문자 R에 소문자 s를 붙여서 Rs로 표시한다. 면저항이란 물질의 층 방향 저항을 말한다. 즉, 물질의 표면이 가지는 저항인데, 주로 정사각형 판형 면적의 층 방향 저항을 가리킨다. 위 그림에서처럼 선저항과 비교해 보면 이해하기 쉽다. 우리가 일반적으로 말하는 저항은 왼쪽과 같은 선저항을 가리킨다. 그와 다르게 면저항은 얇은 두께를 가진 판 모양의 저항을 일컫는다. 과학적 정의는 비저항(ρ)을 두께(t)로 나눈 값이다. 여기서 비저항(resistivity, ρ)이란, 전기전도도(conductivity, σ)의 역수로 정의된다. 따라서 (단위 두께 당) 면저항 Rs은 = ρ/t(두께) = 1/σt이다. 이때 비저항의 단위는 [Ω/□] (ohm per square)이다.

면저항 사용 이유

면저항이라는 특성을 측정해서 사용하는 이유는 크게 두 가지로 볼 수 있다. 첫번째, 특정 박막에 도핑 공정을 진행했을 때, 원하는 전기적 특성(저항값)을 갖는지 확인하기 위해서이다. 두 번째, 금속 패턴이나 박막을 형성할 때, 설계 엔지니어와 공정 엔지니어가 원활하게 소통하기 위해서이다. 아래와 같은 설계 도면에서 설계 엔지니어가 설계한 □ 한 칸이 (노란색 부분) 총얼마만큼의 저항을 갖는지 확인하기 위해, 면저항 값을 측정하여 공정 엔지니어와 소통한다.

설계 도면 관점에서 면저항의 쓰임

면저항 측정 방법

면저항은 4-point probe라는 계측 장비를 통해 측정한다. 연구실 레벨에서 사용할 수 있는 가장 단순한 4-point probe 장비의 사용방법은 다음과 같다. plate(wafer stage) 위에 wafer를 올려놓고 레버를 돌려 탐침을 내린다. 그 다음 측정 버튼을 누르면 해당 wafer에 가해진 전압(V)과 전류(I) 값을 얻을 수 있다. 조건에 맞는 수식을 택해 얻어진 전압/전류 값을 대입해 계산하면 Rs 결괏값을 도출할 수 있다. 면저항이 측정되는 원리는 다음과 같다. 아래 그림과 같이, 탐침은 4개로 구성되어 있다. 그중 안쪽 2개의 탐침에서 wafer에 전압을 인가하고, 바깥쪽 2개의 탐침에서 흐르는 전류를 감지한다.

4-point probe 측정 원리와 수식

4-point probe 장비 (좌)와 탐침이 시료 표면에 접촉된 모습 (우)