源漏接触电阻是当前发展集成电路先进节点的最关键瓶颈。源漏接触电阻随晶体管尺寸持续缩小而急剧增大，严重影响器件功耗和互连延时等关键性能，其物理根源在于金属-半导体界面的费米能级钉扎效应。中国科学院半导体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的最新研究揭示，半导体界面悬键诱导的表面态对形成费米能级钉扎效应起到了关键作用，硅的费米能级钉扎效应显著弱于锗主要源于硅表面原子再构导致悬键发生自钝化效应降低了界面态密度，在此新认识的基础上，进一步发现使用氢等原子可以完全钝化悬键显著减轻费米能级钉扎效应，将硅和锗的钉扎因子分别从0.16和0.03提升至 0.5和0.45，从而存在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2 nm以下工艺节点将接触电阻率降至国际路线图要求的10-9 Ω·cm²提供了新思路。
集成电路先进节点的晶体管接触电阻随器件持续缩微急剧升高，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5 nm工艺节点接触电阻已经占整个晶体管电阻的38%，3 nm工艺节点提升至超过50%，2 nm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，2 nm以下的工艺节点必须把接触电阻率降低至10-9 Ω·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 = 0.03，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 = 0.03）。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。
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。
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（来源：半导体学报）