通过在半导体表面添加晶体氧化镁中间层来降低肖特基势垒高度并减少接触电阻

《Journal of Alloys and Compounds》：Schottky Barrier Height Lowering and Contact Resistivity Reduction via Crystalline Magnesium Oxide Interlayer on Semiconductor Surface

降低半导体接触电阻的氧化镁中间层调控机制研究。本文提出在金属/半导体接触中引入结晶氧化镁（MgO）中间层，通过抑制金属诱导间隙态（MIGS）、降低界面陷阱密度（D_it）及形成外源自交界面偶极，显著降低肖特基势垒（SBH）至<0.05 eV），实现超低接触电阻（8.38×10^-9 Ω·cm2），为新一代纳米电子器件提供可行接触技术方案。

　　半导体接触电阻和肖特基势垒高度（SBH）是制约高性能纳米电子器件实现的关键因素。在半导体表面，普遍存在的费米能级（FL）钉扎现象使得接触电阻难以降低，而这一问题在锗（Ge）中尤为突出。Ge由于其内在的强FL钉扎特性，即使在金属功函数不同的情形下，也表现出较高的SBH和较大的接触电阻。为了解决这一问题，研究人员提出了一种基于金属-介电层-半导体（MIS）结构的界面电偶极子工程方法，利用具有宽禁带特性的氧化镁（MgO）作为介电层。通过MgO的插入和晶化，不仅能够有效抑制金属诱导的间隙态（MIGS），还能够部分减少界面陷阱密度（D_it），从而实现显著的FL钉扎缓解。此外，MgO与Ge之间的电荷中性水平（CNL）不匹配导致了额外的界面电偶极子形成，进一步降低了SBH。MgO的晶化过程增强了其钝化能力，抑制了不稳定的Ge亚氧化物，并促进了稳定GeO?的形成，从而实现了超低SBH（<0.05 eV）和低接触电阻。这项研究不仅为纳米电子器件的接触工程提供了实用且可扩展的方法，还为下一代半导体技术的发展提供了可行的路径。

在研究中，研究人员系统地分析了五种不同的金属（Ti、W、Ni、Au和Pt）在MIS结构中的表现，并结合化学分析，验证了FL钉扎缓解和界面电偶极子形成是调控SBH的关键机制。通过引入MgO作为介电层，不仅显著改善了接触性能，还为解决传统接触形成技术在超小尺寸器件中的局限性提供了新思路。传统技术如硅化物（silicide）和锗化物（germanide）形成通常依赖高温合金化过程，但随着器件尺寸的进一步缩小，这些方法在后端工艺（BEOL）中的热预算限制变得尤为突出。因此，MIS结构成为一种更具前景的选择，因为它允许低温处理，并且在材料选择上具有更大的灵活性。同时，MgO的晶化过程提高了其导电性，使得接触电阻显著降低，达到了8.38 × 10?? Ω·cm2，比传统金属-半导体接触降低了10?倍。这一成果表明，通过界面工程可以有效克服FL钉扎问题，从而提升半导体器件的性能。

在实验部分，研究人员首先对MgO的晶化条件进行了优化。通过后沉积退火（PDA）处理，发现在500°C时MgO的结晶度最高，且其电阻-面积乘积（R-A）显著降低，从而增强了隧穿导电性并减少隧穿电阻。X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）的分析结果证实了MgO在该条件下的良好结晶状态。此外，研究还发现，1 nm厚的MgO层能够有效减少Ge表面的界面陷阱密度，而进一步增加厚度会导致MIGS的抑制效果减弱，从而增加接触电阻。这表明，MgO的厚度对接触性能具有重要影响，且其晶化状态对界面钝化效果至关重要。

为了进一步分析SBH的调控机制，研究人员采用了X射线光电子能谱（XPS）技术。XPS分析显示，当MgO被插入Ge界面时，Ge的氧化状态发生了变化，GeO?的形成显著降低了界面陷阱密度（D_it），从而促进了FL钉扎的缓解。此外，XPS还揭示了MgO与Ge之间的结合能差异，进一步证明了界面电偶极子的形成。当MgO发生晶化时，其对Ge的钝化作用更为显著，不仅抑制了不稳定的Ge亚氧化物，还促进了GeO?的稳定形成，从而进一步降低了SBH。研究还发现，MgO的晶化过程使得Ge-O键的结合能显著降低，这表明Ge表面的钝化效果得到了增强，而氧空位的减少也表明界面电偶极子的形成更为有效。

除了物理特性分析，研究还通过电学特性测试进一步验证了MgO在接触工程中的应用潜力。通过传输线模型（TLM）方法，研究人员提取了不同厚度MgO层的接触电阻（ρ_c），发现最佳接触性能出现在0.5 nm的a-MgO和1 nm的c-MgO层。此外，实验还表明，随着Ge掺杂浓度的增加，接触电阻的变化趋势与理论模型高度吻合，进一步验证了MgO对FL钉扎的缓解作用。通过对比MS接触和MIS接触的电学特性，研究人员发现MIS结构能够显著降低接触电阻，并且在高掺杂浓度下依然表现出良好的性能，这表明MgO介电层在接触工程中的优势。

研究还揭示了FL钉扎缓解的三种主要机制：（1）通过减少MIGS实现FL钉扎的解除；（2）通过界面钝化技术减少D_it；（3）通过MgO的晶化过程形成额外的界面电偶极子。这些机制共同作用，使得Ti/c-MgO/n-Ge接触能够实现接近零的SBH，并且具有极低的接触电阻。XPS分析进一步支持了这一结论，表明GeO?的形成对界面钝化和FL钉扎的缓解具有重要作用。此外，研究还发现，MgO的引入不仅改善了接触性能，还显著降低了界面电偶极子的形成对SBH的影响，这为未来的接触工程提供了新的思路。

通过系统的研究和实验验证，这项工作为Ge基器件的接触优化提供了一种可行的解决方案。MgO作为介电层，不仅能够有效抑制MIGS，还能够通过晶化过程进一步增强其钝化能力，从而实现超低SBH和低接触电阻。这种界面工程方法不仅适用于Ge，还可能扩展到其他半导体材料，为纳米电子器件的高性能化提供了理论基础和技术路径。此外，该方法在工艺兼容性方面也表现出色，能够与现有的BEOL工艺结合，具有良好的应用前景。因此，这项研究不仅对纳米电子器件的接触技术有重要意义，也为未来半导体材料的界面工程提供了新的视角。