新發現助力突破集成電路接觸電阻瓶頸 | 科技前線

在芯片的世界里，晶體管越小，單位面積內集成晶體管數量越多，器件性能越強。然而，隨著晶體管尺寸不斷逼近物理極限，金屬與半導體之間的接觸電阻，正成為制約芯片性能進一步提升的“卡點”。

近日，中國科學院半導體研究所駱軍委團隊的一項研究，從原子層面揭示了這一問題的關鍵機制，為降低接觸電阻、推動下一代半導體技術發展提供了重要理論支撐。

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費米能級釘扎：影響接觸電阻的關鍵

如果把晶體管比作一個控制電流的開關，那么金屬電極與半導體之間的接觸界面，就是這個開關的觸點。理想情況下，人們希望電子能毫無阻礙地從金屬流入半導體，實現高效導通。

然而，在實際器件中，金屬與半導體界面處的電子往往會遇到一個難以逾越的能量勢壘，而且這一能量勢壘的高度幾乎不隨金屬改變，這個現象被稱作費米能級釘扎。

這意味著即便半導體材料鍺本身擁有更高的載流子遷移率，也難以替代硅成為新一代高性能晶體管的主要材料。

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表面懸掛鍵：被忽視的關鍵角色

長期以來，人們普遍認為費米能級釘扎現象主要由半導體的內稟屬性決定，如材料的帶隙和介電常數。科研團隊打破常規，從第一性原理計算出發，重新審視界面原子結構本身的作用，發現半導體表面的懸掛鍵在硅和鍺的費米能級釘扎問題上扮演了關鍵角色。

什么是懸掛鍵？當半導體晶格被切斷時，表面的原子會留下未配對的電子，這就是懸掛鍵。這些懸掛鍵會在半導體的帶隙中產生大量表面態，在界面上積累電荷產生極化場，進而阻止費米能級的移動。

有趣的是，硅和鍺雖然結構相似，但在與金屬接觸時，表面的原子排列方式并不相同。硅傾向于發生再構形成“二聚體重構” 結構——表面原子兩兩配對，互相“握手”，從而削弱了懸掛鍵的影響；而鍺則傾向于保持“非再構” 的原始結構，表面的懸掛鍵保持自由狀態，因此成為強釘扎的主力軍。

▲硅和鍺的表面懸掛鍵產生過程以及硅和鍺自鈍化的差異

進一步研究發現，半導體材料發生再構時降低的能量與材料的鍵長平方成反比。鍺的鍵長比硅大4.3%，導致其通過再構釋放的能量非常小。而當金屬薄膜沉積后，鍺的再構更容易受擾動變得不穩定，回到懸掛鍵未“握手”狀態，從而使得懸掛鍵對釘扎的影響重新變得突出。

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“去釘扎”：邁向理想接觸

團隊發現，費米能級釘扎的強弱不僅取決于材料本身，還與界面的原子結構密切相關。也就是說，通過調控界面結構，我們有可能實現“去釘扎”。這一發現顛覆了傳統認知。

為證實這一假設，團隊又模擬了另一種極端情況：用氫原子逐個占據表面上所有懸掛鍵位點，結果顯示：釘扎因子從接近0提升至約0.5的弱釘扎水平。

這意味著，費米能級重新獲得了較大的活動空間。此時，通過選擇合適的金屬，就有可能實現接近零勢壘、近乎理想的歐姆接觸，從而極大降低接觸電阻。

▲通過使用氫原子完美鈍化硅和鍺界面懸鍵，消除所有懸鍵誘導表面態，從而大幅削弱費米能級釘扎效應

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為未來芯片鋪路

該研究不僅揭示了硅和鍺在與金屬接觸行為上的微觀差異，更提出了一條清晰的界面工程設計路徑：通過調控界面原子成鍵構型，減少懸掛鍵誘導的能隙態，從而緩解費米能級釘扎。

研究成果為發展高性能、低功耗的硅基芯片，以及推動新型半導體在未來晶體管中的應用提供了重要理論指導。未來，團隊有望通過原子尺度的微觀調控實現更低電阻的接觸，為摩爾定律的延續注入持續動力。

來源：中國科學院半導體研究所

責任編輯：宋同舟