【仪表网 研发快讯】集成电路先进节点的晶体管接触电阻随器件持续微缩而急剧升高，已经成为摩尔定律物理极限的关键瓶颈。在摩尔定律驱动下，器件尺寸不断微缩，与接触面积成反比的晶体管源漏端接触电阻急剧升高，在5nm工艺节点接触电阻已经占整个晶体管电阻的38%，3nm工艺节点占比超过50%，2nm节点的占比会更高，接触电阻已经成为先进工艺节点限制器件性能提升的关键瓶颈。
 

　　根据国际路线图要求，2nm以下工艺节点必须把接触电阻率降至10-9 ?·cm²。其核心挑战在于金属-半导体接触界面存在很强的费米能级钉扎效应(Fermi Level Pinning, FLP)，导致金属的费米能级被钉扎在半导体价带顶附近，肖特基势垒高度几乎不随金属功函数的改变而降低，从而引发巨大的本征接触电阻。所有半导体中锗拥有最强的费米能级钉扎效应，其钉扎因子S = 0.02，接近Bardeen极限S = 0。传统观点认为，处于半导体能隙中的金属电子态渗透到半导体内部形成金属诱生能隙态(MIGS)，导致费米能级钉扎效应。由于金属诱生能隙态密度反比于半导体带隙宽度，所以带隙越窄、MIGS密度越大、钉扎效应越强，因此，费米能级钉扎效应被认为是半导体材料的内禀属性。
 

　　近期，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室李树深院士和骆军委研究员团队使用第一性原理计算，揭示金属-半导体接触界面的费米能级钉扎效应存在新的物理机制。研究团队发现，半导体悬键诱导的表面态对费米能级钉扎效应的贡献至关重要，其影响甚至与金属诱生能隙态MIGS相当。锗拥有最强费米能级钉扎效应的关键在于锗和硅倾向于形成不同的界面原子成键构型。半导体界面的悬键态在界面再构后形成新的成键态和反成键态，悬键上的电子完全占据新的成键态，从而降低系统能量，由于再构获得的能量与键长平方成反比，从热力学和动力学角度都使得硅倾向于保持稳定的自发面内成键构型(图1)，面内成键形成自钝化效应，有效钝化悬键降低了界面态密度，因此硅的费米能级钉扎效应较弱(钉扎因子S = 0.16)。而锗的原子键长度比硅大4.3%，再构后获得的能量很小，锗倾向于保持非重构界面，直接和金属成键后保留了更多的悬键和界面态，导致极强的费米能级钉扎效应(S = 0.02)。从锗到硅再到金刚石，原子间距依次减小，界面悬键的自钝化效应依次增强，界面悬键诱导表面态密度依次减小，导致费米能级钉扎效应依次降低。
 

　　研究团队进一步将该机理推广至更广泛的半导体体系，发现随着半导体离子性增强，带隙深处的悬键诱导表面态逐渐消失，费米能级钉扎显著减弱(图2)。由此建立起的“界面成键-悬挂键密度-钉扎强度”统一物理框架，为评估和预测不同材料体系的接触特性提供了可靠的理论依据。
 

　　研究团队从理论上进一步证明，可以通过引入外部非金属原子来提高悬键的钝化效果，从而大幅降低悬键诱导表面态密度。研究显示使用氢原子可以完美钝化硅和锗界面悬键，达到消除所有悬键诱导表面态，从而大幅削弱费米能级钉扎效应，将硅和锗的钉扎因子分别从0.16和0.02提升至?0.5和0.45(图3)，使得多种金属可以将硅和锗界面的肖特基势垒降至接近理想的零值，为2nm以下工艺节点将接触电阻率降至国际路线图要求的10-9 ?·cm²提供了新思路。
 

　　该工作突破了传统金属诱生能隙态MIGS理论的局限，提出了通过调控界面原子成键构型来抑制FLP的新思路，为未来先进技术节点突破接触电阻瓶颈提供了新思路。
 

　　该纯理论的研究成果以“Self-passivation reduces the Fermi level pinning in the metal-semiconductor contacts”为题，11月27日发表在《自然·通讯》上。半导体芯片物理与技术全国重点实验室主任骆军委研究员为通讯作者，博士研究生向姿颖为第一作者。该研究得到了国家基金委青A延续项目(项目编号12525402 )和中国科学院稳定支持青年团队(项目编号YSBR-026)的资助。
 

　　图1：半导体界面的断键产生高密度表面态导致强费米能级钉扎效应。通过面内成键的自钝化效应有效钝化悬键降低硅的费米能级钉扎效应。
 

　　图2：半导体离子性-悬键诱导表面态-费米能级钉扎强度的内在规律。随着离子性增强，带隙深处的悬键诱导表面态密度显著降低，钉扎随之减弱；相反，共价性更强的半导体带隙深处的悬键诱导表面态密度更高，即使带隙宽度相近，也会表现出更强的钉扎。
 

　　图3：通过使用氢原子可以完美钝化硅和锗界面悬键，消除所有悬键诱导表面态，从而大幅削弱费米能级钉扎效应，将硅和锗的钉扎因子分别从0.16和0.02提升至?0.5和0.45。