随着微电子器件尺寸的不断缩小，硅化镍（NiSi）广泛用做互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管源极、漏极和栅极的接触材料。然而，NiSi薄膜在高温的不稳定性严重限制了镍硅薄膜的性能和使用寿命。当热处理温度高于500oC时，NiSi薄膜发生反润湿（或聚结）现象，形成许多小的NiSi“孤岛”,被高电阻的Si基体分开，破坏了整体薄膜的低电阻特性而使薄膜失效。为了避免这种有害的聚结行为，提高镍硅薄膜的形貌稳定性迫在眉睫。
此外，NiSi薄膜的织构、Si在NiSi/Si界面上的扩散和晶粒长大等均对NiSi薄膜反润湿过程有影响，且实验上缺乏对NiSi薄膜反润湿过程动力学的研究。因此，目前NiSi薄膜反润湿过程机理的机理尚不明确。
针对以上问题，中南大学的张利军团队和法国艾克斯-马赛大学的Dominique Mangelinck团队合作，采用原位扫描电子显微镜(in-situSEM)技术结合三维相场模拟，研究NiSi薄膜沉积在Si基体上的反润湿过程，揭示了NiSi薄膜在Si基体上反润湿过程的机理。相关论文以题为“Dewetting of Ni silicide thin film on Sisubstrate:In-situexperimental study and phase-field modeling”发表在材料期刊Acta Materialia上。
论文第一作者为中南大学和艾克斯-马赛大学联合培养博士生高建宝，通讯作者为中南大学张利军教授和艾克斯-马赛大学Dominique Mangelinck教授，合作者还包括里昂大学的Annie Malchère博士和Philippe Steyer副教授，中南大学的杨胜兰博士，艾克斯-马赛大学的Andrea Campos博士，罗婷博士，Khalid Quertite博士和Christophe Girardeaux教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117491
在该项工作中，研究人员首先通过物理气相沉积技术沉积15 nm Ni薄膜在Si(100)基体上，将样品原位加热至600oC并保温，采用原位SEM技术首次原位观测了NiSi薄膜在Si(100)基体上反润湿（或聚结）的过程（见图1），并测量得到该过程的动力学演化曲线（见图2）。通过电子背散射衍射(EBSD)研究了NiSi多晶薄膜聚结过程中织构的演变（见图3），发现NiSi多晶薄膜聚结过程中拥有Fiber织构的晶粒不断长大，通过不断消耗随机取向的晶粒。
图1. 600oC下原位保温，原位SEM观测15nm Ni薄膜(生成30nm NiSi薄膜)在Si(100)基体上微观结构随时间的演变：(a)23分钟，(b) 32分钟，(c) 194分钟，(d) 287分钟。白色和灰色区域是NiSi相，黑色为暴露于表面的Si基体。(绿色区域为样品表面上的标记)
图2. Si(100)基体上15 nm Ni薄膜(生成30nm NiSi薄膜)在600oC下原位SEM观测时，暴露于表面Si的动力学演化曲线：(a)表面暴露Si的面积分数和暴露区域数量随时间的变化，(b)不同放大倍率下(观测面积分别为303μm2和20.3 μm2)原位SEM结果中表面暴露Si的动力学曲线对比：橙色区域代表低倍率实验的测量误差(Exp-1:总面积为303.47 μm2) ,其使用的测量面积与高倍率实验相同(Exp-2:总面积为20.30 μm2) ,误差范围取自统计结果的最大值和最小值。
图3. Si(100)基体上沉积15nmNi薄膜(生成30nm NiSi薄膜)的EBSD取向图：(a)在600oC下的快速热处理(RTP) 60秒，(b)在600oC下的真空退火24小时；(c)两组实验的粒径分布；Si(100)基体上沉积的15nmNi薄膜(生成30nm NiSi薄膜)的极图：(d)在600oC下快速热处理60秒和(e)在600oC下真空退火24小时。
随后，采用三维相场模拟揭示了单晶硅基底上的NiSi多晶薄膜在反润湿过程中晶界开槽和晶粒聚结的机理。模拟结果表明，异常晶粒长大在NiSi多晶薄膜的反润湿过程中起着重要作用，NiSi/Si和NiSi/NiSi界面上不同取向差导致的界面能和晶界能的差异，是NiSi多晶薄膜聚结（见图4）的主要驱动力，晶粒聚结的动力学取决于各种取向晶粒的体积分数和取向分布（见图5）；晶界开槽（见图6）优先从取向差较大的NiSi晶界处开始，其动力学主要取决于NiSi晶粒之间的取向差分布。
图4. 600oC下Si基体上30 nm NiSi薄膜反润湿过程中微观结构演变的三维相场模拟结果：不同高角度取向差晶粒(HAMG)分数,(a)各向同性晶粒,(b)fHAMG=77.25%, (c)fHAMG=56.70%, (d)fHAMG=30.67%, (e)fHAMG=77.25%。不同的颜色代表不同的NiSi方向，Si基体表示为透明的。
图5.在600oC下，原位SEM观测和三维相场模拟Si(100)基体上30 nm NiSi薄膜反润湿过程中表面Si暴露动力学结果对比：(a)和(b)中动力学曲线均以暴露Si面积分数达到3.0%的时刻作校准：(a)模拟组A至E，(b)模拟组A、D和F，(c)模拟早期A-F组的原始结果。
图6.600oC下Si基底上30nm的NiSi薄膜开槽过程中微结构演变的三维相场模拟结果(纵向截面图)：相同结构但不同的取向分布，(a)fHAMG=30.67%,θNiSi2/Si= 5o,θNiSi3/Si= 10o,θNiSi2/NiSi3=15o,(b) fHAMG=30.67%,θNiSi3/Si=15o,θNiSi4/Si=10o,θNiSi3/NiSi4=5o。不同的颜色代表不同的NiSi方向，Si基体表示为透明的。
最后，三维相场模拟耦合实验信息（NiSi晶粒的取向分布和平均晶粒尺寸），重现了原位SEM观测到的30 nm NiSi多晶薄膜在600oC下的聚结过程（见图7）。根据定量相场模拟结果，增加低角度晶粒的体积分数或减少NiSi晶粒和Si基体之间的取向差，能有效抑制或减缓NiSi薄膜发生反润湿。
实践证明，原位实验结合三维相场模拟是解释材料过程物理背景的有利工具！
图7.三维定量相场模拟耦合实验信息(实际的取向分布和初始平均晶粒尺寸)，重现600oC下单晶Si基体上30 nm NiSi薄膜反润湿过程的微观结构演变：（a）相场模拟的取向场结果，其中不同颜色代表NiSi的不同取向，黑色表示Si衬底，（b）相场模拟的相场结果，其中灰色代表NiSi相，黑色代表暴露的Si衬底，(c)原位SEM结果。模拟的初始微观结构是通过耦合实验的取向差分布和原位SEM结果的初始平均晶粒尺寸而构建。
通讯作者：
张利军，博士，中南大学教授，博士生导师，德国“洪堡学者”、湖南省湖湘青年英才、湖南省杰出青年基金获得者。主要从事计算热、动力学及其驱动的材料设计与制备领域研究工作。近年来主持国家级研究项目15项，省、校级和企业横向课题10余项。累计在npjComputational Materials、ActaMaterialia等40余种材料领域期刊上发表第一/通讯作者论文120余篇，在国际会议上做大会邀请/口头报告30余次，组织/共同组织重要国际会议3次、国内会议5次。作为主编在瑞士出版专著1本，出版专著章节3部。已授权中国发明专利2项、中国软件著作权2项。课题组主页：www.ppmgroupcn.com。
Dominique Mangelinck，教授，现任法国国家科研中心(CNRS)研究主任，法国艾克斯-马赛大学普罗旺斯微电子纳米科学研究所(IM2NP)金属材料部门主任，原子探针层析技术(APT)平台负责人;主要从事微电子材料中的反应扩散、半导体掺杂、薄膜反应、纳米线增长和原子探针断层扫描（APT）等领域。已在ActaMaterialia, Applied Physics Letters, Scripta Materialia, Journal of AppliedPhysics等国际权威期刊上已发表高水平论文170余篇，其中单篇被引最高330余次，SCI被引总计3000余次，会议特邀报告40多次，拥有专利4项，主持多项国家级项目。项目来源包括法国国家科学基金会，欧洲基金会，新加坡科技研究局以及法国工业界等。1999年获新加坡国立大学杰出大学研究员，2003年获法国国家研究中心(CNRS)铜奖。个人主页：https://www.im2np.fr/fr/dominique-mangelinck。
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