纳米级晶粒的制造方法及其应用.pdf

一种制作纳米级晶粒的方法，其可应用于内存器件和太阳能电池的制程中。该制作纳米级晶粒的方法至少包括以下步骤：首先，提供基板，并在基板上形成薄膜，薄膜的厚度等于或小于约50。接着，对薄膜施以激光退火处理，且该激光的波长等于或小于约500nm，以在基板上形成多个纳米晶粒。

1.  一种制作纳米级晶粒的方法，包括以下步骤：
提供基板；
在所述基板上形成薄膜，该薄膜的厚度等于或小于约50；及
对所述薄膜施以激光退火处理，且该激光的波长等于或小于约500nm，以在所述基板上形成多个纳米晶粒。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述基板为玻璃基板、塑料基板或金属基板。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述薄膜的厚度范围约在15～25之间。

4.  如权利要求1所述的方法，其中所述薄膜的材料包括硅、锗或硅化锗。

5.  如权利要求1所述的方法，其中所述激光的波长范围约在200nm～500nm之间。

6.  如权利要求1所述的方法，其中所述纳米晶粒的平均粒径约在10nm以下。

7.  如权利要求1所述的方法，其中在形成所述薄膜的步骤前，先在所述基板上形成绝缘层。

8.  如权利要求7所述的方法，其中所述绝缘层包括二氧化硅、氮化硅或其组合。

9.  一种具有纳米级晶粒的半导体结构，包括：
基板；及
多个纳米晶粒，其以低温结晶方法在该基板上结晶，且这些纳米晶粒的平均粒径约在10nm以下。

10.  如权利要求9所述的半导体结构，其中所述基板为玻璃基板或塑料基板。

11.  如权利要求9所述的半导体结构，其中所述纳米晶粒的材料为硅、锗或硅化锗。

12.  如权利要求9所述的半导体结构，其中所述基板上还具有绝缘层，而这些纳米晶粒形成在该绝缘层上。

13.  如权利要求12所述的半导体结构，其中所述绝缘层包括二氧化硅、氮化硅或其组合。

14.  如权利要求9所述的半导体结构，其中所述纳米晶粒在室温下结晶在该基板上。

纳米级晶粒的制造方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种纳米级晶粒的制造方法及其应用，且特别是涉及一种可在低温下形成纳米级晶粒的制造方法。
背景技术
具有纳米级尺寸的晶粒，其优点之一是可以作为量子阱(Quantum well)，以作为应用于内存器件陷住电子的机制，优点之二是由于具有较高的吸光效率，而可成为优异的吸光材料。以硅晶粒而言，一般尺寸的硅晶粒可以吸收约30％的光，而纳米级尺寸的硅晶粒则可吸收约50％～60％的光。
传统制作纳米级晶粒的方法是利用化学气相沉积(Chemical vapordeposition，CVD)直接在基板上沉积出纳米级晶粒，其中制程温度至少约650℃；或是利用离子植入(Ion implantation)将半导体如硅或锗植入二氧化硅内，经过约800℃或更高的温度退火后在二氧化硅内形成纳米级晶粒。无论是前者或后者，都需要使用高温制程，并不符合现有的低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)的制作程序。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是提供一种纳米级晶粒的制造方法及其应用，利用薄膜和低温激光退火的方式形成纳米级晶粒的制造方法，特别符合低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)的制作程序。
根据本发明的目的，提出一种制作纳米级晶粒的方法，包括如下步骤：
提供基板；
在基板上形成薄膜，薄膜的厚度等于或小于约50；及
对薄膜施以激光退火处理，且激光的波长等于或小于约500nm，以在基板上形成多个纳米晶粒(Nano crystal)。
根据本发明的目的，提出一种具有纳米级晶粒的半导体结构，包括基板，及多个纳米晶粒；且这些纳米晶粒以低温结晶方法结晶在基板上，其平均粒径约在10nm以下。
为了让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特列举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A、1B示出了依照本发明优选实施例的纳米级晶粒制作方法的示意图。
图2为本发明优选实施例的纳米级晶粒结构的透射电子显微镜的观察结果。
图3A～3C示出了应用本发明优选实施例的方法制作一种具有纳米级晶粒的内存的示意图。
图4为应用本发明方法所制作的具有纳米级晶粒的内存器件的电性曲线图。
图5A～5D示出了应用本发明优选实施例的方法制作一种具有纳米级晶粒的太阳能电池的示意图。
附图标记说明
11、30：基板
13、33、53：薄膜
131、331、531：纳米晶粒
31：多晶硅层
32：第一绝缘层
35：第二绝缘层
37：金属栅极
51：第一金属基板
55：N型薄膜
57：第二金属基板
具体实施方式
请参照第图1A、1B，其示出了依照本发明优选实施例的纳米级晶粒制作方法的示意图。首先，提供基板11。基板11优选为不吸收激光的材质，例如玻璃、塑料、二氧化硅，甚至金属都可作为本发明的基板11。接着，在基板11上形成薄膜13，且薄膜13的厚度等于或小于约50，优选约在15～25之间，如图1A所示。至于薄膜13的材料并没有特别限制，视所需形成的晶体材质而定，常见的薄膜13材料例如包括硅(silicon，Si)、锗(germanium，Ge)或硅化锗(SiGe)。
之后，对薄膜13施以激光退火处理，且使用的激光波长等于或小于约500nm，以在基板11上形成多个纳米晶粒131。另外，激光的波长范围优选在约200nm～约500nm之间；所形成的这些纳米晶粒131的平均粒径可达10nm以下。
另外，在形成薄膜13的步骤前，亦可先在基板11上形成绝缘层(未显示)。绝缘层例如包括二氧化硅、氮化硅或其组合。然而，绝缘层的存在与否视应用器件的需求而定，本发明在此并不多作限制。
值得注意的是，本发明的激光退火处理步骤可在低温下进行，例如室温。换句话说，应用本发明的方法可于室温下在基板11上产生纳米晶粒131。因此，本发明的纳米级晶粒制作方法可适用于不耐高温制作的基板，也符合现有的低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)的制作程序。
根据本发明优选实施例的制作方法所产生的纳米级晶粒结构(如图1B所示)，以透射电子显微镜(Transmission electron microscopy，TEM)进行材料分析，其结果如图2所示。TEM结果清楚显示这些微小颗粒地尺寸的确为纳米级尺寸，而且确实为结晶性颗粒。
依照本发明的制作方法所产生的纳米级晶粒结构，至少具有可作为量子阱和具有较高的吸光效率等优点。以下根据这两项优点，分别提出两种相关的应用例。当然，普通技术人员应当可理解：本发明的应用十分广泛，以下仅说明其中两种可施行的应用例。
应用例一：内存
请参照图3A～3C，其示出了应用本发明一优选实施例的方法制作一种具有纳米级晶粒的内存的示意图。首先，提供基板30，例如是透明玻璃；在基板30上先形成多晶硅层31。而形成多晶硅层的方法例如是：先形成具有一定厚度的非晶硅层，再利用传统方法例如准分子激光退火(ExcimerLaser Annealing，ELA)技术，连续结晶硅(Continuous Grain Silicon，CGS)技术，激光横向结晶(Sequential Lateral Solidification，SLS)技术或金属诱发横向结晶(Metal Induced Lateral Crystallization，MILC)技术等，将非晶硅层转换为多晶硅层31。之后，在多晶硅层31上方形成不吸收激光的第一绝缘层32，其材质例如包括二氧化硅、氮化硅或其组合。接着在第一绝缘层32上方，形成薄膜33(例如是非晶硅薄膜)，且薄膜33的厚度等于或小于约50，优选约在15～25之间，如图3A所示。
之后，对薄膜33施以激光退火处理，以在第一绝缘层32上形成多个纳米晶粒331，如图3B所示。使用的激光波长系等于或小于约500nm，优选约200nm～约500nm；所形成的纳米晶粒331其平均粒径可达10nm以下。
接着，第二绝缘层35形成在第一绝缘层32上并覆盖住纳米晶粒331；最后于第二绝缘层35上再形成金属栅极(Metal gate)37，如图3C所示。其中，第二绝缘层35和第一绝缘层32的材质可以相同或相异。
图3C中的纳米晶粒331可作为量子阱，以成为内存器件陷住电子的机制。图4为应用本发明方法所制作的具纳米级晶粒的内存器件的电性曲线图。从图4的电性曲线可验证纳米级晶粒的确具有量子阱的功能。
应用例二：太阳能电池
由于具有优异的吸光效率，纳米级晶粒亦可应用在太阳能电池的制作上。图5A～5D示出了应用本发明一优选实施例的方法制作一种具有纳米级晶粒的太阳能电池的示意图。首先，提供第一金属基板51，并在第一金属基板51上形成P型硅薄膜(p-type silicon thin film)53，如图5A所示。薄膜53的厚度等于或小于约50，优选约在15～25之间。接着，利用波长系等于或小于约500nm(优选约200nm～约500nm)的激光对薄膜53施以激光退火处理，以在第一金属基板51上形成多个P型纳米硅晶粒531，如图5B所示。之后，在第一金属基板51上形成N型薄膜55，并覆盖于这些P型纳米硅晶粒531，如第5C图所示。最后，在N型薄膜55上形成第二金属基板57，如图5D所示，以完成太阳能电池的制作。
在太阳能电池的受光过程中，因受内电场(即，由P型纳米硅晶粒531和N型薄膜55所建立)作用，带正电的载流子会往P型纳米硅晶粒531移动，带负电的载流子会往N型薄膜55移动，从而产生电流。而P型纳米硅晶粒531优异的吸光效率，可提高太阳能电池的光电特性。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应以所附权利要求书所限定的为准。