源漏接觸電阻是當(dāng)前發(fā)展集成電路先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的最關(guān)鍵瓶頸。源漏接觸電阻隨晶體管尺寸持續(xù)縮小而急劇增大，嚴(yán)重影響器件功耗和互連延時(shí)等關(guān)鍵性能，其物理根源在于金屬-半導(dǎo)體界面的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體芯片物理與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李樹深院士和駱軍委研究員團(tuán)隊(duì)的最新研究揭示，半導(dǎo)體界面懸鍵誘導(dǎo)的表面態(tài)對形成費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)起到了關(guān)鍵作用，硅的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)顯著弱于鍺主要源于硅表面原子再構(gòu)導(dǎo)致懸鍵發(fā)生自鈍化效應(yīng)降低了界面態(tài)密度，在此新認(rèn)識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)使用氫等原子可以完全鈍化懸鍵顯著減輕費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)，將硅和鍺的釘扎因子分別從0.16和0.03提升至?0.5和0.45，從而存在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2 nm以下工藝節(jié)點(diǎn)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。

集成電路先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的晶體管接觸電阻隨器件持續(xù)縮微急劇升高，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(dòng)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5 nm工藝節(jié)點(diǎn)接觸電阻已經(jīng)占整個(gè)晶體管電阻的38%，3 nm工藝節(jié)點(diǎn)提升至超過50%，2 nm節(jié)點(diǎn)的占比會(huì)更高，接觸電阻已經(jīng)成為先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)限制器件性能提升的關(guān)鍵瓶頸。根據(jù)國際路線圖要求，2 nm以下的工藝節(jié)點(diǎn)必須把接觸電阻率降低至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(qiáng)的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)（Fermi level pinning, FLP），導(dǎo)致金屬的費(fèi)米能級被釘扎在半導(dǎo)體價(jià)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(qiáng)的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)，其釘扎因子S = 0.03，接近Bardeen極限S = 0。傳統(tǒng)觀點(diǎn)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(fèi)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(qiáng)，因此，費(fèi)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李樹深院士和駱軍委研究員團(tuán)隊(duì)使用第一性原理計(jì)算，揭示金屬-半導(dǎo)體接觸界面的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)存在新的物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體懸鍵誘導(dǎo)的表面態(tài)對費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)的貢獻(xiàn)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(qiáng)費(fèi)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(dòng)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(fèi)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(qiáng)的費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)（S = 0.03）。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(qiáng)，界面懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)密度依次減小，導(dǎo)致費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)依次降低。

圖2. 半導(dǎo)體離子性-懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)-費(fèi)米能級釘扎強(qiáng)度的內(nèi)在規(guī)律。

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（來源：半導(dǎo)體學(xué)報(bào)）