中科院新机制为半导体接触工程仪器研发指路

11月27日，中国科学院半导体研究所李树深院士、骆军委研究员团队在《自然·通讯》刊发的一项纯理论研究，不仅颠覆了金属-半导体接触领域的传统认知，更给半导体仪器设备行业带来了明确的技术研发指向——围绕“界面悬键调控”与“成键构型优化”，现有工艺设备的升级改造和新型表征仪器的研发有了清晰路径，为破解2nm以下工艺接触电阻瓶颈提供了关键支撑。

在半导体工艺向3nm、2nm推进的过程中，接触电阻的飙升早已成为行业“心病”。数据显示，3nm节点接触电阻占晶体管总电阻比例已超50%，2nm节点占比还将进一步提高，而国际半导体技术路线图明确要求，2nm以下工艺的接触电阻率必须降至10⁻⁹ Ω·cm²。此前行业内虽尝试过优化金属材料、调整电极结构等多种方式，但始终受困于费米能级钉扎效应（FLP）的传统理论认知——学界一直认为FLP是半导体的内禀属性，由金属诱生能隙态（MIGS）主导，这让相关检测仪器和工艺设备的研发始终停留在“治标不治本”的层面，难以实现本质突破。

此次中科院团队通过第一性原理计算，找到了FLP的核心影响因素：半导体界面悬键诱导的表面态，其对钉扎效应的贡献与MIGS不相上下，而界面原子成键构型直接决定了悬键密度。这一发现打破了长期以来的理论桎梏，给仪器研发提供了精准锚点。团队研究发现，硅原子间距小，界面易形成自钝化结构，悬键密度低，FLP较弱（钉扎因子S=0.16）；锗原子键长比硅大4.3%，界面难以重构，悬键大量保留，导致FLP极强（S=0.02）。在此基础上建立的“界面成键-悬挂键密度-钉扎强度”统一框架，让接触特性的检测有了全新的微观视角，不再局限于宏观电阻值的测量。

对仪器设备行业而言，这一理论成果的落地价值尤为具体。在现有设备升级方面，研究证实氢原子等非金属原子可有效钝化悬键，使硅、锗的钉扎因子分别提升至0.5和0.45，肖特基势垒接近理想零值，完全满足2nm以下工艺要求。这种钝化工艺无需颠覆现有产线，行业内常用的原子层沉积（ALD）设备、等离子体处理仪器，只需针对性调整工艺参数、优化反应腔体环境，就能实现悬键钝化功能，给设备厂商提供了低成本的升级方案，避免了大规模更换设备的投入。

在新型仪器研发领域，该理论为接触电阻精准测量、界面状态表征仪器开辟了新路径。传统接触电阻率测试仪器多聚焦于宏观电阻值检测，而基于新机制，行业可研发能够量化悬键密度、界面成键构型的微观表征仪器，实现从 “结果检测” 到 “过程溯源” 的跨越。例如，开发集成第一性原理计算模拟模块的界面分析仪器，可提前预测不同材料体系的接触特性，大幅缩短新型接触材料与器件的研发周期。

骆军委研究员表示，该理论成果为先进节点接触工程提供了 “可预测、可调控” 的新路径。对于仪器设备企业而言，这意味着接触电阻优化不再是盲目试错，而是基于明确物理机制的精准研发 —— 无论是现有设备的工艺升级，还是新型表征、处理仪器的创新，都能以 “悬键钝化”“界面成键调控” 为核心方向，形成技术突破。

目前已有多家半导体设备企业关注该成果，未来随着理论与工业界的深度合作，有望推动接触工程仪器向更精准、高效、低成本的方向升级，为我国 2nm 以下先进工艺自主可控提供关键设备支撑。