【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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)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(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5nm工藝節(jié)點(diǎn)接觸電阻已經(jīng)占整個(gè)晶體管電阻的38%，3nm工藝節(jié)點(diǎn)占比超過(guò)50%，2nm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(guó)際路線(xiàn)圖要求，2nm以下工藝節(jié)點(diǎn)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(qiáng)的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)(Fermi Level Pinning, FLP)，導(dǎo)致金屬的費(fèi)米能級(jí)被釘扎在半導(dǎo)體價(jià)帶頂附近，肖特基勢(shì)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(jí)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(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(jí)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(jí)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(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李樹(shù)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(jí)釘扎效應(yīng)存在新的物理機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體懸鍵誘導(dǎo)的表面態(tài)對(duì)費(fèi)米能級(jí)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(jí)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(zhǎng)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(jí)釘扎效應(yīng)較弱(釘扎因子S = 0.16)。而鍺的原子鍵長(zhǎng)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(jí)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(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(jí)釘扎效應(yīng)依次降低。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該機(jī)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(qiáng)，帶隙深處的懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)逐漸消失，費(fèi)米能級(jí)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(qiáng)度”統(tǒng)一物理框架，為評(píng)估和預(yù)測(cè)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(tuán)隊(duì)從理論上進(jìn)一步證明，可以通過(guò)引入外部非金屬原子來(lái)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(dá)到消除所有懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)，從而大幅削弱費(fèi)米能級(jí)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(shì)壘降至接近理想的零值，為2nm以下工藝節(jié)點(diǎn)將接觸電阻率降至國(guó)際路線(xiàn)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(guò)調(diào)控界面原子成鍵構(gòu)型來(lái)抑制FLP的新思路，為未來(lái)先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家基金委青A延續(xù)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)12525402 )和中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)(項(xiàng)目編號(hào)YSBR-026)的資助。
 

　　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(qiáng)費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。通過(guò)面內(nèi)成鍵的自鈍化效應(yīng)有效鈍化懸鍵降低硅的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。
 

　　圖2：半導(dǎo)體離子性-懸鍵誘導(dǎo)表面態(tài)-費(fèi)米能級(jí)釘扎強(qiáng)度的內(nèi)在規(guī)律。隨著離子性增強(qiáng)，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(jià)性更強(qiáng)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(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)的釘扎。
 

　　圖3：通過(guò)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(fèi)米能級(jí)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。