《Thin Solid Films》：Influence of NH
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In-Situ Annealing on Diffusion-Controlled Epitaxial Growth of CoSi
2 Thin Films
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本研究通过MOCVD沉积Co/CoNx双层结构，在NH3、Ar及真空等不同气氛原位退火过程中，发现非晶Si-N界面层有效抑制Co扩散，促进CoSi2外延生长，其厚度与退火时间平方根呈线性关系，证实扩散控制机制，强调环境工程和界面完整性对高质量外延硅化物形成的重要性。
裴基赫（Gihyeok Bae）| 李承律（Seung Ryul Lee）
韩国技术大学半导体工程系，韩国京畿道始兴市桑伊达赫拉克路237号，邮编15073
摘要
本研究通过原位退火技术，对采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法沉积的Co/CoNx双层结构在Si(100)衬底上的钴硅化物（CoSi?）薄膜的环境依赖性外延生长行为进行了全面研究。研究发现，在CoNx沉积过程中形成的非晶Si–N界面层起到了有效的扩散屏障作用，抑制了钴向硅衬底的过度扩散，从而实现了CoSi?的外延生长。在不同退火气氛（包括真空、Ar和不同压力的NH?）下的对比分析表明，优化的NH?气氛对于获得具有原子级清晰界面的均匀CoSi?外延生长至关重要。此外，CoSi?的厚度与退火时间的平方根呈线性关系，这证实了其生长过程受扩散控制。这些发现强调了环境工程和界面层完整性对于可靠、高质量外延硅化物形成的重要性。
引言
钴硅化物（CoSi?）由于其低电阻率（14–20 μΩ·cm）和优异的化学稳定性，成为超大规模集成电路接触应用中的有前景的硅化物材料[1]。最近的研究报道了在垂直单元动态随机存取存储器（DRAM）中使用CoSi?作为埋藏位线，因为与其他硅化物材料（如TiSi?和NiSi）相比，CoSi?具有更好的热稳定性[2]。此外，人们对CoSi?作为高性能材料在超导技术中的应用重新产生了兴趣[3,4]。
传统上，CoSi?是通过两步热退火过程形成的，通常包括快速热退火[5],[6],[7],[8]。通过物理气相沉积法沉积的Co膜在400至600°C的低温下与硅衬底反应，转化为多晶CoSi相；随后在700至900°C的高温下发生多晶CoSi向多晶CoSi?的相变，但多晶CoSi?在器件制造过程中仍面临硅消耗量大和团聚等关键问题[5],[6],[7],[8]。
外延CoSi?作为一种潜在的解决方案，因其具有更高的热稳定性、更浅的结层和更低的结漏电流等优点而受到关注。从根本上讲，CoSi?的晶格常数为0.5367 nm，与硅（0.5432 nm）的晶格失配小于1.2%，使其非常适合外延生长[1]。在严格控制的条件下，CoSi?可以在Si(100)衬底上实现外延生长，同时通过限制钴的扩散来抑制中间富钴相（如Co?Si和CoSi）的形成[9],[10],[11],[12]。
尽管具有这些优势，但通过传统的钴沉积后退火方法实现CoSi?的外延生长仍然具有挑战性，因为该过程容易形成多晶CoSi?（具有多种晶向[1,9,10]。采用在Co/Si界面处设置扩散屏障的各种技术（如钛中间层介导的外延[TIME][11,12]、氧化物介导的外延[OME][13]和Co-C合金方法[14]）表明，在Si(100)衬底上外延生长CoSi?时有两个关键作用：（i）在热处理过程中抑制不需要的富钴中间相的形成；（ii）调节钴向硅衬底的供应，以维持CoSi?的化学计量比（1:2）。另一种方法是使用CoN?中间层通过MOCVD和钴羰基前驱体（Co?(CO)?）进行外延生长[15]，该方法通过在CoN?/Si界面形成非晶Si–N层来限制钴向硅的供应，从而促进了CoSi?在外延层上的生长[15,16]。
在本研究中，我们系统地研究了NH?气氛对Co/CoNx结构原位退火过程中CoSi?外延生长行为的影响。研究结果表明，在原位退火过程中控制NH?气氛对于保持非晶Si–N界面层的完整性至关重要，从而实现了高度均匀的、由扩散驱动的CoSi?外延生长。
实验部分
本研究中，在不同NH?气氛下在Si(100)衬底上生长CoSi?的整体工艺流程如图1所示。沉积前，p型Si(100)晶圆（5–8 Ω·cm）依次经过清洗，以去除天然氧化物和有机表面污染物。预清洗过程包括在100°C下浸泡于H?SO?/H?O?（1:1）混合溶液中10分钟，然后用去离子水冲洗，最后在2%的稀释HF溶液中浸泡1分钟。
结果与讨论
研究了沉积在Si(100)衬底上的Co/CoNx薄膜的结构特征，如图2所示。具体来说，图2包括（a）X射线衍射（XRD）图谱、（b）俄歇电子能谱（AES）深度剖面以及（c）沉积后的Co/CoNx薄膜的透射电子显微镜（TEM）照片。图2(a)中的XRD结果表明，Co层主要由...
结论
系统研究了NH?气氛在原位退火过程中对通过MOCVD沉积的Co/CoN?/Si结构中外延生长CoSi?的影响。发现退火过程中控制NH?气氛是获得Si(100)衬底上均匀CoSi?层的关键因素。这主要归因于沉积过程中在CoNx/Si界面形成的非晶Si–N界面层有效抑制了钴的扩散。
作者贡献
裴基赫（G. Bae）负责实验设计、数据收集、数据分析及手稿撰写。
李承律（S.R. Lee）负责数据解释、手稿修订及资金筹集。
数据获取
支持本研究结果的数据可向通讯作者李承律（S.R. Lee）索取。
作者贡献声明
裴基赫（Gihyeok Bae）：撰写初稿、方法论设计、数据分析。
李承律（Seung Ryul Lee）：审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、实验实施、资金筹集及概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国技术大学学术促进计划的支持。该研究还获得了韩国技术大学2025年的研究经费支持。
