自下而上图案化金属硅化物的区域选择性硅化技术：纳米尺度精准调控新策略

这篇综述创新性地提出区域选择性硅化（AS-silicidation）技术，通过离子束刻蚀在硅基底表面构建缺陷模板，结合原子层沉积（ALD）金属氧化物前驱体，实现NiSi2和Cu3Si等硅化物的定向生长。该技术突破传统固态反应（SS）的局限，无需后合成纳米图案化步骤，为低维硅化物在自旋电子学（spintronics）和异质结器件中的集成提供新范式。

　　

Abstract

金属硅化物在纳米技术中的角色正随着对其纳米尺度特性的深入理解而被重新定义。当前领域的核心挑战在于开发可控合成低维硅化物的新方法，这些材料的理论预测性质往往难以通过实验验证。区域选择性硅化（AS-silicidation）作为一种自下而上的方法被提出，通过设计基底表面缺陷实现对金属硅化物晶体形貌的精确调控。该工艺始于离子束图案化在Si(111)和Si(100)基底上创建缺陷，随后沉积金属氧化物薄层作为硅化物前驱体。在氢气氛围中退火使氧化物还原为金属，后者通过去润湿过程与硅反应形成硅化物。在此条件下，硅化物选择性地沿人工引入的缺陷成核生长，这些缺陷作为势阱决定了最终结构的形状和位置。AS-silicidation的有效性通过NiSi₂的合成及其向Cu₃Si的扩展得到验证，表明该方法对不同硅化物的广泛适用性。这种多步工艺直接生成结构化低维硅化物，消除了后合成纳米图案化的需求。

1 Introduction

镍硅化物自20世纪60年代发现以来，因其低电阻率、易合成性和稳定性在微电子领域备受关注。传统固态反应（SS）通过退火触发镍薄膜与硅基底的相互作用实现大规模硅化，该"供应控制"反应中金属沉积量（"金属池"）显著影响相形成。近年来，纳米科学进展揭示这类材料在更广泛技术应用中的潜力，特别是NiSi相表现出的高温非补偿反铁磁有序性，为自旋电子学应用提供可能。铁族硅化物如FeSi₂纳米片在减薄至原子层时因未补偿自旋呈现铁磁性，而钴硅化物/硅异质结构纳米颗粒则能同时增强铁磁性和催化活性。

材料性质由硅化物相、结晶度、形态和维度等复杂因素决定，这些特性既增加了系统可调性，也使得可控合成复杂化。传统SS硅化产生连续硅化物层需额外图案化，而AS-silicidation通过预图案化硅表面缺陷，引导硅化物在特定区域生长，实现"即用型"外延硅化物的制备。

2 Results and Discussion

实验证明，利用原生氧化硅作为镍扩散屏障可控制AS-silicidation。在620°C还原退火条件下，ALD沉积的4nm NiO薄膜通过去润湿过程在氧化硅缺陷位点选择性形成NiSi₂纳米晶体。硅基底晶面取向显著影响晶体形貌：Si(100)上形成沿[110]方向延伸的矩形晶体，而Si(111)上则生成平铺的三角形纳米片。

通过Ar⁺离子束铣削局部去除氧化硅，可定义NiSi₂的成核位点。聚焦离子束（FIB）制造的≈9nm深圆形缺陷作为模板，通过CBS和ETD探测器证实硅化物晶体几乎完全嵌入基底。电学测量显示10 pC/μm²剂量处理的样品形成连续NiSi₂结构，接触电阻为10-30kΩ。TEM分析揭示NiSi₂(110)||Si(110)外延界面，尽管FIB诱导的晶格应变导致多晶结构形成。

该方法成功扩展至铜硅化物体系，在Si(100)上实现Cu₃Si的区域选择性生长。理论预测铁族硅化物同样适用该技术，因其具备外延自对齐特性和硅氧化物表面的低温去润湿行为。

3 Conclusion

AS-silicidation技术通过缺陷工程和ALD精确控制，实现了NiSi₂和Cu₃Si的区域选择性合成。原生氧化硅的界面调控与金属去润湿过程的协同作用，使得硅化物仅在预设区域成核。该技术衍生自成熟的SS合成协议，兼具可重复性和成本效益，为自旋电子学器件和异质结集成提供新制造范式。未来研究将聚焦于镍硅化物多相调控及其他技术相关硅化物的适配性探索。

4 Experimental Section

实验采用p型掺杂硅片（电阻率1-30Ω·cm），通过FIB或电子束光刻结合Ar⁺离子刻蚀进行图案化。NiO和CuO_x前驱体分别通过210°C和140°C的ALD沉积，在H₂/N₂氛围中退火实现硅化。表征手段包括SEM/EDX、AFM和300kV TEM，电学测量在2×10^-5 mbar真空环境下完成。