半導(dǎo)體所在解決集成電路接觸電阻瓶頸方面取得新進展
集成電路先進節(jié)點的晶體管接觸電阻隨器件持續(xù)微縮而急劇升高，已經(jīng)成為摩爾定律物理極限的關(guān)鍵瓶頸。在摩爾定律驅(qū)動下，器件尺寸不斷微縮，與接觸面積成反比的晶體管源漏端接觸電阻急劇升高，在5nm工藝節(jié)點接觸電阻已經(jīng)占整個晶體管電阻的38%，3nm工藝節(jié)點占比超過50%，2nm節(jié)點的占比會更高，接觸電阻已經(jīng)成為先進工藝節(jié)點限制器件性能提升的關(guān)鍵瓶頸。
根據(jù)國際路線圖要求，2nm以下工藝節(jié)點必須把接觸電阻率降至10-9??·cm2。其核心挑戰(zhàn)在于金屬-半導(dǎo)體接觸界面存在很強的費米能級釘扎效應(yīng)（Fermi Level Pinning, FLP），導(dǎo)致金屬的費米能級被釘扎在半導(dǎo)體價帶頂附近，肖特基勢壘高度幾乎不隨金屬功函數(shù)的改變而降低，從而引發(fā)巨大的本征接觸電阻。所有半導(dǎo)體中鍺擁有最強的費米能級釘扎效應(yīng)，其釘扎因子S?= 0.02，接近Bardeen極限S?= 0。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，處于半導(dǎo)體能隙中的金屬電子態(tài)滲透到半導(dǎo)體內(nèi)部形成金屬誘生能隙態(tài)（MIGS），導(dǎo)致費米能級釘扎效應(yīng)。由于金屬誘生能隙態(tài)密度反比于半導(dǎo)體帶隙寬度，所以帶隙越窄、MIGS密度越大、釘扎效應(yīng)越強，因此，費米能級釘扎效應(yīng)被認(rèn)為是半導(dǎo)體材料的內(nèi)稟屬性。
近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體芯片物理與技術(shù)全國重點實驗室李樹深院士和駱軍委研究員團隊使用第一性原理計算，揭示金屬-半導(dǎo)體接觸界面的費米能級釘扎效應(yīng)存在新的物理機制。研究團隊發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體懸鍵誘導(dǎo)的表面態(tài)對費米能級釘扎效應(yīng)的貢獻至關(guān)重要，其影響甚至與金屬誘生能隙態(tài)MIGS相當(dāng)。鍺擁有最強費米能級釘扎效應(yīng)的關(guān)鍵在于鍺和硅傾向于形成不同的界面原子成鍵構(gòu)型。半導(dǎo)體界面的懸鍵態(tài)在界面再構(gòu)后形成新的成鍵態(tài)和反成鍵態(tài)，懸鍵上的電子完全占據(jù)新的成鍵態(tài)，從而降低系統(tǒng)能量，由于再構(gòu)獲得的能量與鍵長平方成反比，從熱力學(xué)和動力學(xué)角度都使得硅傾向于保持穩(wěn)定的自發(fā)面內(nèi)成鍵構(gòu)型（圖1），面內(nèi)成鍵形成自鈍化效應(yīng)，有效鈍化懸鍵降低了界面態(tài)密度，因此硅的費米能級釘扎效應(yīng)較弱（釘扎因子S?= 0.16）。而鍺的原子鍵長度比硅大4.3%，再構(gòu)后獲得的能量很小，鍺傾向于保持非重構(gòu)界面，直接和金屬成鍵后保留了更多的懸鍵和界面態(tài)，導(dǎo)致極強的費米能級釘扎效應(yīng)（S?= 0.02）。從鍺到硅再到金剛石，原子間距依次減小，界面懸鍵的自鈍化效應(yīng)依次增強，界面懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)密度依次減小，導(dǎo)致費米能級釘扎效應(yīng)依次降低。
研究團隊進一步將該機理推廣至更廣泛的半導(dǎo)體體系，發(fā)現(xiàn)隨著半導(dǎo)體離子性增強，帶隙深處的懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)逐漸消失，費米能級釘扎顯著減弱（圖2）。由此建立起的“界面成鍵-懸掛鍵密度-釘扎強度”統(tǒng)一物理框架，為評估和預(yù)測不同材料體系的接觸特性提供了可靠的理論依據(jù)。
研究團隊從理論上進一步證明，可以通過引入外部非金屬原子來提高懸鍵的鈍化效果，從而大幅降低懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)密度。研究顯示使用氫原子可以完美鈍化硅和鍺界面懸鍵，達到消除所有懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)，從而大幅削弱費米能級釘扎效應(yīng)，將硅和鍺的釘扎因子分別從0.16和0.02提升至?0.5和0.45（圖3），使得多種金屬可以將硅和鍺界面的肖特基勢壘降至接近理想的零值，為2nm以下工藝節(jié)點將接觸電阻率降至國際路線圖要求的10-9??·cm2提供了新思路。
該工作突破了傳統(tǒng)金屬誘生能隙態(tài)MIGS理論的局限，提出了通過調(diào)控界面原子成鍵構(gòu)型來抑制FLP的新思路，為未來先進技術(shù)節(jié)點突破接觸電阻瓶頸提供了新思路。
該純理論的研究成果以“Self-passivation reduces the Fermi level pinning in the metal-semiconductor contacts”為題，11月27日發(fā)表在《自然·通訊》上。半導(dǎo)體芯片物理與技術(shù)全國重點實驗室主任駱軍委研究員為通訊作者，博士研究生向姿穎為第一作者。該研究得到了國家基金委青A延續(xù)項目（項目編號12525402 ）和中國科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團隊（項目編號YSBR-026）的資助。
文章鏈接：?https://doi.org/10.1038/s41467-025-65695-y
圖1：半導(dǎo)體界面的斷鍵產(chǎn)生高密度表面態(tài)導(dǎo)致強費米能級釘扎效應(yīng)。通過面內(nèi)成鍵的自鈍化效應(yīng)有效鈍化懸鍵降低硅的費米能級釘扎效應(yīng)。
圖2：半導(dǎo)體離子性-懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)-費米能級釘扎強度的內(nèi)在規(guī)律。隨著離子性增強，帶隙深處的懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)密度顯著降低，釘扎隨之減弱；相反，共價性更強的半導(dǎo)體帶隙深處的懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)密度更高，即使帶隙寬度相近，也會表現(xiàn)出更強的釘扎。
圖3：通過使用氫原子可以完美鈍化硅和鍺界面懸鍵，消除所有懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)，從而大幅削弱費米能級釘扎效應(yīng)，將硅和鍺的釘扎因子分別從0.16和0.02提升至?0.5和0.45。
