Rev. Phys. Appl. (Paris) 19, 161-185 (1984)
DOI: 10.1051/rphysap:01984001902016100

Le matériau silicium sur saphir en France. Revue des propriétés physico-chimiques et électriques

S. Cristoloveanu, G. Ghibaudo et G. Kamarinos

Laboratoire de physique des composants à semiconducteurs, (ERA-CNRS 659), ENSERG, 23, avenue des Martyrs, 38031 Grenoble Cedex, France

Abstract
We present an overview of investigations conducted in France for the assessment of thin Si films epitaxied on sapphire substrates. Techniques and relevant data concerning physico-chemical properties (defects, impurities, contamination, ...) and electrical features (transport, recombination, trapping, ...) in SOS are reviewed extensively. The key physical parameters are : (i) existence of a transition layer 100-150 A thick, situated at the Si-Al 2O3 interface, which is responsible for important leakage currents in MOS/SOS transistors, (ii) film nonuniformity connected with an increasing profile of defects towards the Si-Al2O3 interface and resulting in a noticeable degradation of carrier mobility and lifetime, (iii) lateral stress at the film-substrate interface, the effect of which is to modify both the band energy configuration and the transport parameters as compared to bulk Si, (iv) autodoping and (v) potentiel fluctuations. The consistency of different results derived from independent measurements performed on non-processed SOS films and on devices is emphasized. Finally, taking into account the great number of techniques and experimental conditions we also discuss their pertinence, precision or limitations as well as their interest for the characterization of other silicon on insulator technologies.

Résumé
Nous présentons une synthèse des travaux effectués en France sur la caractérisation des couches minces de silicium épitaxié sur des substrats de corindon (« saphir »). Une revue exhaustive des méthodes et des résultats concernant les propriétés physico-chimiques (défauts, impuretés, contamination, ... ) et électriques (processus de transport, de recombinaison, de piégeage, ...) du SOS est présentée. Il apparaît que sur le plan physique les éléments clefs sont : (i) l'existence d'une région de transition d'épaisseur 100 à 150 A, située à l'interface Si-Al2O3, responsable pour l'essentiel des courants de fuite des transistors MOS/SOS, (ii) la non-uniformité des couches et leur caractère inhomogène lié à la présence d'un profil de défauts croissant vers l'interface Si-Al2O3 et qui s'accompagne d'une diminution notable de la mobilité et de la durée de vie des porteurs, (iii) les fortes contraintes d'interface qui provoquent une modification appréciable de la configuration énergétique et des paramètres de transport par rapport au Si massif, (iv) l'autodopage du film et (v) les fluctuations de potentiel. La cohérence des résultats émanant d'études indépendantes sur le matériau SOS non processé ou sur des dispositifs SOS est ensuite soulignée. Compte tenu de la pluralité des techniques et des conditions de mesure employées nous discutons également leurs pertinence, précision et limitations, ainsi que leur intérêt pour la caractérisation des couches minces issues d'autres technologies silicium sur isolant.

PACS
0130R - Reviews and tutorial papers: resource letters.
6855 - Thin film growth, structure, and epitaxy.
7240 - Photoconduction and photovoltaic effects: photodielectric effects.
7320 - Electronic surface states.
7340Q - Electrical properties of metal insulator semiconductor structures.
2520C - Elemental semiconductors.
2530F - Metal insulator semiconductor structures.

Key words
carrier lifetime -- crystal defects -- electron traps -- electron hole recombination -- elemental semiconductors -- hole traps -- interface electron states -- internal stresses -- photoconductivity -- reviews -- sapphire -- semiconductor epitaxial layers -- semiconductor insulator boundaries -- silicon -- Si epitaxial layers -- SOS structures -- physicochemical properties -- electrical properties -- France -- sapphire substrates -- defects -- impurities -- contamination -- transport -- recombination -- trapping -- transition layer -- Si Al sub 2 O sub 3 interface -- MOS SOS transistors -- carrier mobility -- lifetime -- lateral stress -- film substrate interface -- band energy configuration