包括硅纳米管芯的多层结构及其制作方法

专利名称：包括硅纳米管芯的多层结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工艺方法，特别涉及一种以激光退火于富硅介电薄膜形 成纳米管芯的方法。
背景技术：
光电(或光伏打)元件(Photo-Voltaic Device, PV)广泛的应用于各种区域， 例如太阳能电池、触控显示器、紫外光蓝光(UV-blue)侦测器、全色域光侦测 器和高分辨率薄膜晶体管显示器。光伏打元件一般形成有纳米管芯 (nanocrystal),且一般采用例如硅、锗的半导体材料，依据材料的能带和量子 点的量子限制效应quantum confinement effect)制作纳米管芯。美国专利公开 号第20060189014号揭示光伏打元件的实施范例，本发明在此列出该项专利 用以补充说明本发明的先前技术，硅纳米团簇(silicon nanocluster)的制作一般 于SiOx(x〈2)凝聚出硅纳米束，使用化学气相沉积法、射频溅射或硅注入工 艺形成薄膜，此薄膜一般称为富硅的氧化硅(silicon-rich silicon oxide, SRSO) 或富硅氧化物(silicon-rich oxide, SRO)。当使用化学气相沉积法或射频溅射， 以高温进行退火，通常可于富硅的氧化硅中在波长590nm 750nm的范围内， 得到光激发荧光(PL)的尖峰，然而，富硅氧化物(SRO)的量子效率较低，因 而减少光激发荧光的强度，且降低其于光伏打元件的应用。
注入铒(Er)用以产生掺杂铒硅纳米管芯的技术亦使用于硅为基础的光 源，然而，已知的注入工艺技术无法均匀的分布掺杂物，因而降低发光效率 且增加成本。此外，现今界面工程的技术仍不足以使用此种注入工艺。使用
Si/Si02超晶格结构以控制管芯尺寸会导致较慢且高温的沉积工艺，而无法兼 顾硅管芯尺寸与硅纳米管芯和二氧化硅界面的控制。此元件的效能非常低， 限制元件的应用，为了改进元件效率，必须在硅纳米管芯和二氧化硅界面间 产生大界面区。
另外，非易失性存储器市场主要使用浮置栅极元件，根据国际半导体技 术2001 年发展蓝图 (international technology roadmap for semiconductors2001),浮置栅极元件遂穿氧化层的厚度在更进一步的代(generation)约只 剩9nm的厚度，而缩小遂穿氧化层的厚度会由于氧化层中一个或两个缺陷， 导致异常的漏电流，造成储存在非易失性存储器单元中的数据流失。缩小遂 穿氧化层的厚度亦需要高的操作电压，不连续的电荷储存(discrete charge storage)可略过上述问题，因此可针对遂穿氧化层和编程/抹除电压进行微缩。 对于镶嵌技术而言， 一般需要降低整合成本，其减少低电压产生的电荷泵浦 (Chargepump)且避免使用浮置栅极元件的双多晶硅工艺，因此，使用分离类 陷阱储存节点的非易失性存储器单元重新受到瞩目。图16显示已知的浮置栅极非易失性存储器单元1600,其包括源极电极 1602、漏极电才及1606和栅极1604，反转层1612形成于p型半导体基底的源 极电极1602和漏极电极1606间，绝缘层1608形成于浮置栅极1610和栅极 1604间，浮置栅极1610被绝缘层1608围绕，因此储存电荷位于浮置栅极 1610中。图17显示已知的硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)型非易失性存储 器单元1700剖面图，其包括堆叠结构，源极电极和漏极电极(未绘示)形成于 半导体基底(未标示)上，且分别接触半导体基底中的源极区1710和漏极区 1720。堆叠结构包括第一氧化硅层1730作为隧穿氧化层、多晶硅层1740、 第二氧化硅层1750、氮化硅层1760、第三氧化硅层1770和导电层1780作为栅极，此硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)型非易失性存储器单元的工 艺非常复杂，且微缩隧穿氧化层会导致异常漏电流的问题。一般来说，富硅氮化物和富硅氧化物用作电荷能陷(charge trapping)介 质，以增加于非易失性存储器单元中数据的储存时间和可靠度。然而，由于 上述工艺所遇到的问题，富硅氮化物和富硅氧化物不容易和一般的工艺整 合，整合硅的简单和高效率发光元件工艺中，不需要高温的预退火步骤，其 工艺和传统的工艺整合的低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)工艺对于光元 件(发光元件和光侦测元件)而言是必须的。因此，需要一技术解决上述的缺陷和问题。发明内容根据上述问题，本发明提出 一种包括硅纳米管芯的多层结构的制造方 法，包括形成第一导电层于基底上，形成富硅介电层于第一导电层上，其中该富硅介电层具有多个硅纳米管芯。一种形成硅纳米管芯的方法，包括对富硅介电层进行激光退火步骤，以于富硅介电层中形成多个硅纳米管芯。本发明提出一种太阳能电池，包括基底；下电极层，形成于基底上； 第一半导体层，形成于下电极上，其中第一半导体层掺杂n+或p+掺杂物， 以形成第一 N掺杂或P掺杂半导体层；包括多个激光诱发聚集硅纳米点的富 硅介电层，形成于第一N掺杂或P掺杂半导体层上；第二半导体层，位于富 硅介电层上，其中第二半导体层掺杂p+或n+掺杂物，以形成第二P掺杂或 N掺杂半导体层；上电极层，形成于第二P掺杂或N掺杂半导体层上。本发明提出一种形成太阳能电池的方法，包括提供基底，形成下电极 层于基底上，形成第一半导体层于下电极上，掺杂第一半导体层，以形成第 一 N掺杂或P掺杂半导体层，形成富硅介电层于第一 N掺杂或P掺杂半导 体层上，以激光光束照射富硅介电层，形成多个激光诱发聚集硅纳米点，形 成第二半导体层于包括激光诱发聚集硅纳米点于富硅介电层上，及掺杂第二半导体层，以形成第二N掺杂或P掺杂半导体层。本发明提出一种形成太阳能电池的方法，包括提供基底，形成至少包 括两层的多层结构于基底上，其中多层结构的每一层具有第一型态和第二型 态，及以激光光束照射多层结构，使多层结构的至少一层从第一型态转换成 第二型态。本发明」提出一种非易失性存储器单元，包括基底；半导体层，包括源 极区和漏极区，其中源极区为n+型态或p+型态，漏极区为n+型态或p+型态； 富硅介电层，作为电荷储存层，形成于半导体层上，富硅介电层包括多个激 光诱发聚集硅纳米点；导电层，形成于富硅介电层上，作为控制栅极。本发明提出一种非易失性存储器单元的制造方法，包括提供基底，提 供半导体层于基底上，包括源极区、本征沟道区和漏极区，其中源极区为11+ 型态或p+型态，漏极区为n+型态或p+型态，本征沟道区为n沟道或p沟道， 形成富硅介电层于基底上方，以激光光束照射富硅介电层，以形成多个激光 诱发聚集硅纳米点，及形成导电层于包括激光诱发聚集硅纳米点于富硅介电 层上，作为控制栅极。本发明提出一种光感测单元，包括第一导电层；第二导电层；富硅介 电层，形成于第一导电层和第二导电层间，且包括多个激光诱发聚集硅纳米点。本发明提出一种光感测单元的制造方法，包括提供第一导电层，形成 富硅介电层于第一导电层上，对富硅介电层进行激光诱发聚集工艺，以使富 硅介电层形成多个激光诱发聚集硅纳米点，及形成第二导电层于富硅介电层 上。本发明提出一种包括硅纳米管芯的多层结构，包括基底；第一导电层 形成于基底上；及富硅介电层形成于第一导电层上，其中富硅介电层包括多 个激光诱发聚集硅纳米点。


图l显示本发明一实施例于富硅介电层中包括硅纳米管芯的多层结构的 剖面图。图2A 2D显示本发明一实施例于富硅介电层中包括硅纳米管芯的多层 结构的制作方法。图3A显示本发明一实施例于富硅介电层中包括硅纳米管芯的多层结构 工艺的流程图。图3B揭示本发明一实施例富硅介电层400中硅纳米管芯的直径分布。图3C显示光激发荧光密度和从包括硅纳米管芯富硅介电层的多层结构 发射出光的波长的关系。图4A显示本发明一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米点 的太阳能电池的剖面图。图4B显示本发明另一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米 点的太阳能电池的剖面图。图4C显示本发明另一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米 点的太阳能电池的剖面图。图4D显示本发明另 一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米 点的太阳能电池的剖面图。图5A-5I显示本发明一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳 米点的太阳能电池的制作方法。图6将显示本发明一实施例的太阳能电池多重能带光谱。图7A显示本发明一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米点的非易失性存储器单元。图7B显示本发明另一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米 点的非易失性存储器单元。图7C显示本发明另一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米点的非易失性存储器单元。图8A 8F显示本发明一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米点的非易失性存储器单元的制作方法。图9A显示本发明一实施例非易失性存储器单元进行写入的能带图。 图9B显示本发明 一实施例非易失性存储器单元进行读取的能带图。 图9C显示本发明一实施例非易失性存储器单元进行擦拭的能带图。 图10显示本发明一实施例于富硅介电层中包括激光诱发聚集硅纳米点的光感测单元的示意图。图11显示本发明一实施例光感测单元应用示意图。图12显示本发明一实施例包括多重光感测单元的共用电路。图13显示本发明一实施例读取薄膜晶体管和光感测单元的剖面图。图14显示本发明一实施例将光感测单元整合至低温多晶硅薄膜晶体管的剖面图。图15A揭示本发明一实施例的显示面板。图15B显示本发明一实施例图15A显示区多个像素的像素。图16显示已知的浮置栅极非易失性存储器单元。图17显示已知的硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅型非易失性存储器单元剖面图。附图标记说明 10基底20第一导电层40硅纳米管芯/硅纳米点50第二导电层64激光光束300流程图320步骤340步骤30富硅介电层 45富硅介电层 62激光光束 100多层结构 310步骤330步骤400太阳能电池 404太阳能电池 410基底420第一半导体层 430富硅介电层 440第二半导体层 450第二导电层 510基底520第一半导体层/曲线 530富硅介电层/曲线 540第二半导体层/曲线 550第二导电层 702非易失性存储器单元 705基底720沟道区/半导体层724源才及区736隧穿介电层750半导体层/基底/緩沖介电层820緩沖介电层840漏冲及区860隧穿介电层875 -圭纳米点1000光感测单元1004可见光1020硅纳米点1040第二导电层1050电池1110高掺杂N型硅源极区 1130栅极 1150连接导线 1310基底402太阳能电池 406太阳能电池 415第一导电层425第一N掺杂或P掺杂半导体层 435》圭纳米点445第二N掺杂或P掺杂半导体层 510曲线/基底 515第一导电层525第一N^^杂或N掺杂半导体层 535 ;圭纳米点545第二N掺杂或P掺杂半导体层700非易失性存储器单元704非易失性存储器单元710导电层722漏极区730富硅介电层740 -圭纳米点810基底830源极区850沟道区870富硅介电层880导电层1002可见光1010第一导电层1030富硅介电层1040A连接导线1060电流计1120高4参杂N型石圭漏才及区 1140连接导线 1300低温多晶石圭面板 1312第一导电层1314富硅介电层1316第二导电层1322源极区1324漏才及区1326栅极1330窗1340第一部分1350第二部分1410基底1412第一导电层1414富硅介电层1416第二导电层1422源极区1424漏极区1426槺极1430环境光1440背光1500显示面板1510显示敎据的显示区1520输入信号的显示区1530光侦测器1540太阳能电池1550环境光感测器1560显示区1570扫描线1572扫描线1580数据线1582数据线1600浮置栅极非易失性存储器单元1602源极电极1604栅极1606漏极电极1608绝缘层1610浮置栅极1612反转层1700(SONOS)型非易失性存储器单元1710源极区1720漏才及区1730第一氧化硅层1740多晶硅层1750第二氧化硅层1760氮化硅层1770第三氧化硅层1780导电层具体实施方式
以下配合图1至图5描述本发明制作于富硅介电层中包括硅纳米管芯的 多层结构实施例。请参照图1~图2D，其描述本发明一实施例于富硅介电层30中包括硅纳 米管芯40的多层结构100,图1显示富硅介电层30中包括硅纳米管芯40 的多层结构100的剖面图，此多层结构100包括基底10、第一导电层20、 富硅介电层30和位于富硅介电层30中的多个硅纳米管芯40。如图2D所示，另一导电层50形成于具有硅纳米管芯40的富硅介电层45上，图3A显示图 2A 2D工艺的流程图300,其揭示富硅介电层30中包括^s圭纳米管芯40的多 层结构100如何形成。在图3A的实施例中，富硅介电层30中包括硅纳米管芯40的多层结构 100的制造方法包括(a) 形成第一导电层20于基底IO上(图3A的步骤310)。(b) 形成富硅介电层30于第一导电层20上(图3A的步骤320)。(c) 至少对富硅介电层30进行激光退火，使富硅介电层30中的富硅聚 集，以于富硅介电层30中形成多个硅纳米管芯40(图3A的步骤330)。(d) 另形成第二导电层50于富硅介电层45上(图3A的步骤340)。 上述的工艺步骤可不需是连续的，且以上的工艺不是本发明的唯一方法，举例来说，本发明于另一实施例可使用激光退火工艺，于富硅介电层中形成多个纳米管芯。在一实施例中，基底10为玻璃基底，在另一实施例中，基底10为塑胶薄膜。第一导电层20和第二导电层50可以是金属、金属氧化物或上述的组合， 金属可以是铝、铜、银、金、钛、钼、锂、上述的合金或组合，金属氧化物 可以是铟锡氧化物(indium tin oxide, ITO)、铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZCO或上述的组合。在一实施例中，富硅介电层30是富硅氧化薄膜，在另一实施例中，富 硅介电层30是富硅氮化薄膜。富硅介电层30是以等离子体辅助化学气相沉 积法(PECVD)形成，其工艺条件可如下压力为1Torr的低压，温度低于 400。C。在一实施例中，形成富硅介电层30的温度为200~400。C,或 350~400。C,但以370。C较佳。形成富硅介电层的有效工艺时间约为13秒 250 秒，以25秒 125秒较佳，富硅介电层的厚度以100 500nm较佳。在形成富 硅介电层30的工艺中，其通过调整硅含量比(SiH4/N20)控制富硅介电层30 的折射系数。在一实施例中，硅含量比(SiH4/N20)在1:10 2:1的范围中调整， 制作出的富硅介电层的折射系数约为1.4-2.3或是1.47-2.5,硅含量比 (SifVN20)是在1:5 2:1的范围中调整较佳，制作出的富硅介电层的折射系数 约为1.5 2.3或是1.5~2.5,或者是该硅含量比(SiH4/N20)的范围大体上为 1:10 2:1,以使该富硅介电层的折射系数至少在1.47-2.5的范围中。富硅介电层亦可采用其它方法或工艺制作。为了制作出有效率的光激发荧光元件，富硅介电层30的折射系数在特定范围较佳，在一实施例中，富硅介电层的折射系数约为1.47 2.5,在另一 实施例中，富硅介电层的折射系数约为1.7 2.5。激光退火步骤包括在400。C的温度下，以可调整的频率和激光能量密度 的分子束激光对富硅介电层30进行退火。在一实施例中，分子束激光的工 艺条件如下压力约为1大气压(760torr)或lxl(T3Pa,温度4氐于400°C。在 另一实施例中，分子束激光的温度为室温(约20 25°C或68~77。F)，本发明 可使用其它型态和工艺条件的激光退火工艺。本实施例可调整激光波长和激光能量，以得到所需直径的硅纳米管芯， 硅纳米管芯的直径范围约为3 10 rnn(以3~6 nm较佳)。在一实施例中，对富 硅介电层30进行退火的分子激光的波长为308 nm,其激光能量密度约为 70~300 mJ/cm2,以70~200 mJ/cm2较佳，然而，当激光能量密度超过200 mJ/cm2,可能会造成富硅介电层30下的金属层损坏或剥落。为了使富硅介 电层30中能制作出较大直径(4 10nm)的硅纳米管芯，分子激光的激光能量 密度以为200~300 mJ/cn^较佳。另外，为了使富硅介电层30中能制作出较 小直径(3 6nm)的硅纳米管芯，分子激光的激光能量密度以为70-200 mJ/cm2 较佳。图3B揭示本发明一实施例富硅介电层400中硅纳米管芯的直径分布。在激光退火步骤后，富硅介电层30转换成具有多个硅纳米管芯40的富 硅介电层30，在图2C和图2D中，具有多个硅纳米管芯的富硅介电层以标 号45标示。富硅介电层30中硅纳米管芯40的密度以lxl0"/cm^lxl0力cm2 较佳，富硅介电层另可掺杂N型硅或P型硅。如图2D和图3A的步骤340所示，在富硅介电层30以分子激光退火后， 可于具有多个硅纳米管芯40的富硅介电层45上形成第二导电层50。此具有 第二导电层的多层结构可用于非易失性存储器单元，其中硅纳米管芯40可 用作储存节点。在另一实施例中，第二导电层50可以是透明的铟锡氧化物 (ITO)层，此具有透明的铟锡氧化物层50的多层结构可用于液晶显示器。然 而，本发明不限于此，第二导电层50可以是金属层，第一导电层20可以是 透明导电层，例如铟锡氧化物(ITO)层或铟锌锡氧化物(IZO)层。另外，第二 导电层50可以是透明导电层，例如铟锡氧化物(ITO)层或铟锌锡氧化物(IZO) 层，第一导电层20可以是金属层。第一导电层20和第二导电层50皆可以是透明导电层或薄的金属层，以使光能穿透。图3C显示光激发荧光的量测，显示光激发焚光密度和从包括硅纳米管 芯的富硅介电层的多层结构发射出光的波长的关系，其中富硅介电层的厚度约为100 nm,且在本发明一实施例中，富硅介电层以四种不同能量程度的分 子激光退火。本实施例量测包括硅纳米管芯40的富硅介电层45的多层结构100的光 激发荧光元件的光激发荧光密度，光激发荧光密度是对照nm为单位的波长 进行量测，光激发荧光密度是对照四个不同实施例，各实施例进行不同能量 密度的分子激光工艺。曲线510的激光能量密度为100mJ/cm2,曲线520的 激光能量密度为200mJ/cm2,曲线530的激光能量密度为300mJ/cm2，曲线 540的激光能量密度为400mJ/cm2。如图所示，各实施例的富硅介电层在光 激发荧光光谱350nm 550nm的范围有尖峰，显示硅纳米管芯存在。本发明所揭示的方法可用于以高效率激光退火工艺在低温下，制造发光 元件的光激发荧光层，和/或光侦测元件的感光层。本发明实施例制作的介电 层中的硅纳米管芯具有高密度、非常均匀、分布一致且具有一致的直径，且 本发明实施例使用低温的分子激光进行退火。本发明的工艺不需高温预退火 工艺，且可和传统的工艺整合，以制作低温多晶硅薄膜晶体管(LTPSTFT)。本发明实施例制作的包括硅纳米管芯的富硅介电层可用于太阳能电池、触控 显示器、环境光侦测器(ambient light sensor)、光侦测器，且可和全色域高分 辨率薄膜晶体管显示器整合。本发明实施例制作的硅纳米管芯量子点，亦可 用于非易失性存储器单元的储存节点，提供较高的储存时间、可靠度和操作 速度。以下以图1至图3A的类似结构，描述本发明另一实施例于富硅介电层 30中，以激光诱发(laser induced)聚集硅纳米点40的多层结构100和其制造 方法。请注意，本实施例和上述实施例类似的单元采用相同的标号，且结构 相同，但制作方法和上述实施例不同。图1显示于富硅介电层30中，以激 光诱发聚集硅纳米点40的多层结构100的剖面图，此多层结构100包括基 底10、导电层20、富硅介电层30和位于富硅介电层30中的多个激光诱发 聚集硅纳米点40，具有多个激光诱发聚集硅纳米点的富硅介电层以标号45 标示。如图2A 2D所示，另一导电层50形成于富硅介电层30上，图3A显 示图2A 2D工艺的流程图300，其揭示富硅介电层30中包括激光诱发聚集硅纳米点40的多层结构100如何形成。在图2A 2D和图3A的实施例中，制作富硅介电层30中包括激光诱发 聚集硅纳米点40的多层结构100的方法包括以下步骤(a) 形成第一导电层20于基底IO上(图3A的步骤310)。(b) 形成富硅介电层30于第一导电层20上(图3A的步骤320)。(c) 对富硅介电层30进行激光退火，使富硅介电层30中的富硅聚集， 以于富硅介电层30中形成多个激光诱发聚集硅纳米点40(图3A的步骤330)。(d) 另形成第二导电层50于富硅介电层30上，其现在变成包括多个激 光诱发聚集^ 圭纳米点40的富硅介电层45(图3A的步骤340)。上述的工艺步骤可不需是连续的，且以上的工艺不是本发明的唯一方法。在一实施例中，基底10为透明基底、弹性基底或上述的组合，透明基 底例如为玻璃、石英或其它材料，弹性基底例如为薄玻璃、聚醚胺 (polyethylene tetraphthalate, PET)、苯并环丁晞(benzocyclobutane, BCB)、聚 硅氧烷(polysiloxane)、 聚苯胺(polyaniline)、 聚曱基丙烯酸曱酯 (polymethylmethacrylate, PMMA)、塑胶、橡胶或上述的组合。在另一实施 例中，基底IO为刚性基底，例如硅晶片、陶瓷材料或其它适合的材料，基 底10以非半导体材料较佳，例如玻璃、石英、陶瓷材料、薄玻璃、聚醚胺 (PET)、苯并环丁烯(BCB)、聚硅氧烷、聚苯胺、聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)、 塑胶、橡胶或上述的组合。本实施例的基底10采用玻璃基底，但本发明不 限于此。如图2C所示，在一实施例中，激光退火工艺以激光光束62从多层结构 的顶部照射富硅介电层30。在另一实施例中，基底10和第一导电层20为透 明材料组成，因此激光退火工艺可从多层结构的底部进行，使激光光束64 穿过基底10和导电层20,照射富硅介电层30。在又另一实施例中，如图2C 的激光光束62和激光光束64所示，激光退火工艺从多层结构的顶部和底部 进行使激光光束62、 64照射富硅介电层30。在一实施例中，激光退火产生多个激光诱发聚集硅纳米点，在另一实施 例中，激光退火不产生激光诱发聚集硅纳米点。第一导电层20和第二导电 层50可以是金属、金属氧化物或上述任何材料的组合，金属可以是具反射 性的材料，例如铝、铜、银、金、钛、钼、锂、钽、钕、鴒、上述的合金、上述的组合或其它适合的材料。金属氧化物可以是透明的材料，例如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)或铪氧化物(HfO)或上述的 组合。金属可以是反射材料或透明材料的组合，在本发明的实施例中，第一 导电层20和/或第二导电层50可以是单一层或复合层，且单一层或复合层中 的一层的组成材料使用到上述的材料。在一实施例中，富硅介电层30是富硅氧化薄膜，在另一实施例中，富 硅介电层30是富硅氮化薄膜，在又另一实施例中，富硅介电层30是富硅氮 氧化薄膜。富硅介电层30可以是单一层或多层结构，或者，富硅介电层至 少包括富硅氧化薄膜、富硅氮化薄膜和富硅氮氧化薄膜之一。本实施例富硅介电层30是以等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)形 成，其工艺条件可如下压力为lTorr的低压，温度低于400。C。在一实施 例中，形成富硅介电层的温度为200~400°C，或350 400。C，但以370°C较 佳。形成富硅介电层的有效工艺时间约为13秒~250秒，以25秒~125秒较 佳，以形成50 1000nm厚度的富硅介电层30。在形成富硅介电层30的工艺 中，其通过调整硅含量比(SiH4/N2O)控制富硅介电层30的折射系数。在一实 施例中，硅含量比(SiH4/N20)在1:10 2:1(或1:10 1:1)的范围中调整，制作出 的富硅介电层的折射系数约为1.47~2.5(或1.47-2.3)，硅含量比(3识4/^0)在 1:5 2:1(或1:5 1:1)的范围中调整较佳，制作出的富硅介电层的折射系数约为 1.7~2.5(或1.7~2.3),富硅介电层亦可采用其它方法或工艺制作。为了制作出有效率的光激发荧光元件，富硅介电层30的折射系数在一 特定范围较佳，在一实施例中，富硅介电层的折射系数约为1.47 2.5，在另 一实施例中，富硅介电层的折射系数约为1.7 2.5。本实施例可使用例如分子束激光对富硅介电层30进行激光退火，本实 施例激光退火的工艺条件如下在400。C的温度下，以可调整的频率和激光 能量密度的分子束激光对富硅介电层进行退火，压力约为1大气压(760torr) 或lxl(T3 Pa。在另一实施例中，分子束激光的温度为室温(约20 25°C或 68~77。F)，本发明可使用其它型态和工艺条件的激光退火工艺。本实施例可调整激光波长和激光能量，以得到所需直径的硅纳米管芯， 激光波长的范围约为266 1024nm,且可采用任何型态的激光，例如分子激 光退火(exc.imer laser annealing, ELA)、连续激光波结晶(continuous-wave laser crystalization, CLC)、固态CW绿光激光或其它的激光。激光诱发聚集硅纳米点的直径范围约为2~10 nm，以3 6nm较佳。在一实施例中，对富硅介 电层30进行分子激光退火(ELA)的分子激光的波长为266 532nm(以308 nm 较佳)，其激光能量密度约为70-300 mJ/cm"以70-200 mJ/cn^较佳，且在此 范围内，激光不会造成富硅介电层下的金属层损坏或剥落)。在另一实施例 中，对富硅介电层30进行连续激光波结晶(CLC)的激光波长约为 532 1024nm，在又另一实施例中，对富硅介电层30进行固态CW绿光激光 的激光波长约为532nm,然而，当激光能量密度超过200 mJ/cm2，可能会造 成富硅介电层下的金属层损坏或剥落。为了使富硅介电层中能制作出较大直径(4 1 Onm)的激光诱发聚集硅纳 米点，对富硅介电层30进行退火的分子激光的激光能量密度以为200-300 mJ/cn^较佳。另外，为了使富硅介电层30中能制作出较小直径(2 6nm)的激 光诱发聚集硅纳米点，分子激光的激光能量密度以为70 200mJ/cr^较佳。在激光退火步骤后，富硅介电层30转换成具有多个激光诱发聚集硅纳 米点40的富硅介电层30，在图2C和图2D中，具有多个激光诱发聚集硅纳 米点的富硅介电层以标号45标示。富硅介电层30中激光诱发聚集硅纳米点 40的密度以lxl()U/cmS lxlO力cn^较佳，富硅介电层另可掺杂N型硅或P 型硅。如图2D和图3A的步骤340所示，在富硅介电层30激光退火后，可于 具有多个激光诱发聚集硅纳米点40的富硅介电层30上形成第二导电层50。 此硅纳米点可用于非易失性存储器单元，其中激光诱发聚集硅纳米点40可 用作储存节点，以供数据储存。在另一实施例中，第二导电层50可以是透 明层或反射层，透明层例如为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧 化物(AZO)或铪氧化物(HfO)或上述的组合，反射层例如为铝、铜、银、金、 钬、钼、锂、钽、钕、鵠、上述的合金、上述的组合或其它适合的材料。在 本发明的实施例中，第一导电层20和/或第二导电层50可以是单一层或复合 层，且单一层或复合层中的一层的组成材料使用到上述的材料。此包括例如 铟锡氧化物(ITO)透明材料的第二导电层50的多层结构可用于显示器，例如 液晶显示器、电激发光显示器或上述的结合，然而，第二导电层50可以是 金属层，第一导电层20可以是透明导电层，例如为铟锡氧化物(ITO)、铟锌 氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)或铪氧化物(HfO)或上述的组合。在另一实 施例中，第二导电层50可以是透明导电层，例如为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)或铪氧化物(HfO)或上迷的组合，第一导电 层20可以是金属层。第一导电层20和第二导电层50其中一层可以是透明 导电层或薄的金属层，以使光能穿透，或第一导电层20和第二导电层50皆 为透明导电层或薄的金属层，以使光能穿透。当本实施例使用透明导电层时，可在形成第二导电层之前或之后进行激 光退火，且可由多层结构的顶部进行退火，或由多层结构的底部、多层结构 的顶部和底部进4于退火。以下描述本发明实施范例的方法、元件和相关的应用，值得注意的是， 以下描述的论述、标题、副标题或条件仅用来辅助说明本发明，并非用来限 定本发明。实施范例1太阳能电池请参照图4A，显示本发明一实施例于富硅介电层430中包括激光诱发 聚集硅纳米点435的太阳能电池400的剖面图，在一实施例中，太阳能电池 400包括(a) 基底410;(b) 例如非晶硅的第一半导体层420形成于基底410上，其中例如非晶 硅的第一半导体层420是在后续步骤掺杂N+或P+的掺杂物，以形成第一N 掺杂或P掺杂半导体层425;(c) 富硅介电层430,形成第一N掺杂或P掺杂半导体层"5上，富硅 介电层430具有以激光诱发聚集工艺形成的多个激光诱发聚集硅纳米点 435;(d) 例如非晶硅的第二半导体层440形成于富硅介电层430上，其中例 如非晶硅的第二半导体层440是在后续步骤掺杂N+或P+的掺杂物，以形成 第二 N掺杂或P掺杂半导体层445;在一实施例中，如图4B所示，太阳能电池402还包括第一导电层415(或 称为底部导电层)，形成于基底410和第一半导体层420间。在另一实施例 中，如图4C所示，太阳能电池404还包括第二导电层450(或称为顶部导电 层)，形成于第二N掺杂或P掺杂半导体层445上。在又一实施例中，如图 4D所示，太阳能电池406还包括第一导电层415,形成于基底410和第一半 导体层420间，和第二导电层450,形成于第二 N掺杂或P掺杂半导体层445 上。举例而言，第二导电层450较佳为透明材料层，例如包括以下透明导电 材料，铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)或铪氧化物 (HfO)或上述的组合。第二导电层亦可以为反射材料所组成，例如金、银、 铜、铁、锡、铅、镉、钛、钽、鴒、钼、铪、钕、上述的合金、组合、上述 的氮化物或上述的氧化物。在一实施例中，第二导电层450亦可以为透明材 料或反射材料的结合。
在一实施例中，富硅介电层430包括富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮 氧化物、富硅碳化物或上述的组合。
在一实施例中，第一半导体层420和第二半导体层440至少其一为N型 半导体层，在另一实施例中，第一半导体层420和第二半导体层440至少其 一为P型半导体层，在又一实施例中，第一半导体层420和第二半导体层 440至少其一为N型半导体层和P型半导体层的结合。
在一实施例中，第一半导体层420和第二半导体层440两者之一由非晶 硅、多晶硅、孩i晶珪(micro-crystallized silicon)、 单晶石圭(mono-crystallized silicon)或上述的组合所形成。激光结晶N型半导体层和激光结晶P型半导体 层由激光结晶工艺形成。
请参照图5A 51，在一实施例中，于富硅介电层中包括多个激光诱发聚 集硅纳米点的太阳能电池以下列工艺步骤形成
(a) 提供基底510;
(b) 形成第一半导体层520于基底510上；
(c) 形成第一N掺杂或P掺杂半导体层525;
(d) 形成富硅介电层530于第一N掺杂或N掺杂半导体层525上；
(e) 进行激光诱发聚集工艺，形成多个激光诱发聚集硅纳米点535于富 硅介电层530中；
(f) 形成第二半导体层540于包括多个激光诱发聚集硅纳米点535的富 硅介电层530上；以及
(g) 形成第二N掺杂或P掺杂半导体层5斗5; 本实施例的工艺步骤可采用上述的顺序或其它顺序。 在一实施例中，上述的工艺还包括形成第一导电层515于基底510和第
一半导体层520间。在一实施例中，形成第一:N^参杂或P掺杂半导体层525 的步骤包括对第一半导体层520进行离子注入。在另一实施例中，形成第一N掺杂或P掺杂半导体层525的步骤，包括于第一导电层515上进行同环境 (in-situ)等离子体化学气相沉积掺杂工艺，以形成第一 N掺杂或P掺杂半导 体层525。
在一实施例中，第二 N掺杂或P掺杂半导体层545是通过对第二半导体 层540进行离子注入工艺形成，在另一实施例中，在等离子体辅助化学气相 沉积法(PECVD)制作第二半导体层540时，对其进行同环境(in-situ)工艺，以 在包括激光诱发聚集硅纳米点535的富硅介电层530上形成第二N掺杂或P 掺杂半导体层545。
在一实施例中，激光诱发聚集工艺从富硅介电层530的顶部进行，在另 一实施例中，若基底510和第一 N摻杂或P掺杂半导体层525是透明的，激 光诱发聚集工艺可从基底510和第一N掺杂或P掺杂半导体层525的底部进 行。在又一实施例中，激光诱发聚集工艺从富硅介电层530的顶部进行，且 从基底510和第一 N掺杂或P掺杂半导体层525的底部进行。本实施例可调 整激光的能量，使其穿过基底510和第一N掺杂或P掺杂半导体层525，到 达富硅介电层530。若第二N掺杂或P掺杂半导体层545是透明，可允许激 光光束或光线穿过，本实施例的激光工艺可在于富硅介电层530上形成第二 N掺杂或P掺杂半导体层545(以上的第g步骤)后进行。
在一实施例中，此工艺还包括于第二半导体层540上形成第二导电层 550的步骤，第二导电层550以透明的材料组成较佳，例如铟锡氧化物(ITO)、 铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、铪氧化物(HfO)、上述的组合或其它 适合的材料，此外，第二导电层550亦可以为反射材料组成，例如金、银、 铜、铁、锡、铅、镉、钛、钽、鵠、钼、铪、钕、上述的合金、组合、上述 的氮化物或上述的氧化物，第二导电层550亦可由透明材料和反射材料结合 组成。
在一实施例中，太阳能电池的富硅介电层530的组成材料是富硅氧化物、 富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物或上述的组合。在一实施例中，下 电极515是形成在基底510上。在一实施例中，基底510是例如玻璃的透明 基底，在另一实施例中，基底510具有弹性，例如塑胶基底。
在一实施例中，第一半导体层520和第二半导体层540至少其一是非晶 硅、多晶硅、微晶硅、单晶硅或上述的组合。此外，第一半导体层520和第 二半导体层540至少其一是由N型半导体、P型半导体、激光结晶(lasercrystallized)N型半导体、激光结晶P型半导体或上述的组合所组成，激光结 晶N型半导体和激光结晶P型半导体可通过激光结晶工艺形成。在一实施例中，基底510、第一半导体层520和第二半导体层540至少 其一是由透明材料、不透明材料、反射材料或上述的组合所组成。本实施例 在激光结晶工艺中，将激光沿任何恰当的方向，穿过一层或是多层透明层， 传递至第一半导体层520和第二半导体层540两者的至少一层。在一实施例 的激光诱发聚集工艺中，激光沿任何恰当的方向，穿过一层或是多层透明层， 传递且照射富硅介电层530。本发明另可应用于制作太阳能电池，在一实施例中，此方法包括(a) 提供基底510;(b) 于基底510上形成至少包括两层的多层结构，其中多层結构的每一 层具有第一型态和第二型态；以及(c) 以激光光束照射此多层结构，使此多层结构的至少一层从第一型态 转换成第二型态。多层结构的层的第一型态为非晶态，多层结构的至少一层具有多个激光 诱发聚集硅纳米点，且其具有大体上非晶态的第二型态。多层结构的层的第 二型态可以为大体上的结晶态、大体上的微晶态或非晶态，大体上的结晶态、 大体上的微晶态是由激光结晶工艺形成。在一实施例中，上述的方法还包括于基底和多层结构间形成第 一导电层 的步骤，在另一实施例中，上述的方法还包括于多层结构上形成第二导电层 的步骤。基底510、多层结构的结构层、第一导电层或第二导电层中至少一 个是由透明材料、不透明材料、反射材料或上述的组合所组成。激光光束沿 任何恰当的方向，穿过一层或是多层透明层，传递至多层结构。本发明一实施例具有多重能带间隙(multiple-bandgap)的硅纳米管芯太阳 能电池(具有单一结)可取代多重结元件，其中多重结元件为个别具有单一结 的晶胞依能带间隙递减的堆叠。在多重结晶胞元件中，顶部的晶胞截取高能 量的光子，且将其余的光子传递给较^(氐能带(lower-bandgap)的晶胞吸收。由 于不同的半导体材料具有不同的熔点和能量吸收效率，激光诱发聚集硅纳米 点亦可通过对多晶硅或非晶硅薄膜，进行激光结晶工艺形成。因此，激光结 晶工艺制作出 一 多能带光吸收结构，此多能带光吸收结构可和高效率太阳能 电池整合。图6将本发明实施例的太阳能电池多重能带光谱分成多个窄区域,在此实施例中，与每个区域协调的光子转换形成高效率太阳能电池。实施范例2非易失性存储器单元
请参照图7A,其揭示本发明一实施例于富硅介电层中，包括激光诱发 聚集硅纳米点的非易失性存储器单元700，在一实施例中，非易失性存储器 单元700包括
(a) 导电层710;
(b) —半导体层乃0;
(c) 包括激光诱发聚集硅纳米点740的富硅介电层730，位于导电层710 和半导体层750间；
(d) 漏极区722，形成于半导体层750中；
(e) 源;f及区724,形成于半导体层750中；
(f) 沟道区720,形成于漏极区722和源极区724间，沟道区720举例而 言直接接触富硅介电层730。
如上所述，激光诱发聚集硅纳米点740是通过对富硅介电层730进行激 光退火工艺形成。在一实施例中，源极电极形成于源极区724上，漏极电极 形成于漏4l区722上。
在一实施例中，作为非易失性存储器单元700的栅电极的导电层710是 由透明材料、不透明材料、反射材料或上述的结合形成。导电层710可以为 透明层，其可由透明材料形成，例如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、 铝锌氧化物(AZO)、給氧化物(HfO)或上述的组合。在一实施例中，富硅介电 层730的厚度约为30 50nrn，但本发明不限于此。激光诱发聚集硅纳米点 740形成且分布于富硅介电层730中，激光诱发聚集硅纳米点740所在的区 域大体上为距离富硅介电层730底部表面2 5nm的区域，或距离富硅介电 层730顶部表面6 10nm的区域。激光诱发聚集硅纳米点740的直径以2~6nm 较佳。
在一实施例中，半导体层720形成在基底750上，且其是由非晶硅、多 晶硅、微晶硅、单晶硅或上述的组合所组成。半导体层720包括N型半导体 层、P型半导体层、激光结晶N型半导体层、激光结晶P型半导体层或上述 的组合，激光结晶N型半导体层和激光结晶P型半导体层由激光结晶工艺形成。
在另一实施例中，富硅介电层730是由富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物或上述的组合所组成。基底750、半导体层720和导 电层710至少其一为透明材料、不透明材料、反射材料或上述的组合所组成。在一实施例中，非易失性存储器单元700的半导体层720是激光结晶N 型硅层，在另一实施例中，非易失性存储器单元700的半导体层720是激光 结晶P型硅层。在一实施例中，源极电极(未绘示)形成于源极区724上，漏 极电极(未绘示)形成于漏极区722上，且两者可连接其它单元，例如信号线、 电容器、开关、能量线等。请参照图7B,其显示本发明一实施例于富硅介电层730中包括激光诱 发聚集硅纳米点740的非易失性存储器单元702,在一实施例中，非易失性 存储器单元702包括(a) 导电层710;(b) 半导体层乃0;(c) 包括激光诱发聚集硅纳米点740的富硅介电层730,位于导电层710 和半导体层750间；(d) 漏极区722，形成于半导体层乃0中；(e) 源极区724，形成于半导体层乃0中；(f) 沟道区720,形成于漏极区722和源极区724间；及(g) 隧穿介电层736,形成于沟道区720和富硅介电层730间。 如上所迷，激光诱发聚集硅纳米点740是通过对富硅介电层730进行激光退火工艺形成。在一实施例中，源极电极(未绘示)形成于源极区724上， 漏极电极(未绘示)形成于漏极区722上，且两者可连接其它单元，例如信号 线、电容器、开关、能量线等。在一实施例中，半导体层720形成在基底750上，且其是由非晶硅、多 晶硅、微晶硅、单晶硅或上述的组合所组成。半导体层720包括N型半导体 层、P型半导体层、激光结晶N型半导体层、激光结晶P型半导体层或上述 的组合，激光结晶N型半导体层和激光结晶P型半导体层由激光结晶工艺形 成。富硅介电层730是由富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳 化物或上述的组合所组成。基底、半导体层和导电层至少其一为透明材料、 不透明材料、反射材料或上述的组合所组成。在一实施例中，非易失性存储器单元702的半导体层720是激光结晶N型硅层，在另一实施例中，非易失性存储器单元702的半导体层720是激光 结晶P型硅层。在一实施例中，源极电极(未绘示)形成于源极区724上，漏 极电极(未绘示)形成于漏极区722上，且两者可连接其它单元，例如信号线、 电容器、开关、能量线等。
请参照图7C，其显示本发明又另一实施例包括激光诱发聚集硅纳米点 的非易失性存储器单元704，在此实施例中，非易失性存储器单元704包括
(a) 导电层710;
(b) 緩冲介电层750,位于基底冗5上；
(c) 半导体层720,形成于緩冲介电层乃O上；
(d) 包括激光诱发聚集硅纳米点740的富硅介电层730,位于导电层710 和半导体层720间；
(e) 漏极区722,形成于半导体层"0中；
(f) 源极区724，形成于半导体层720中；及
(g) 沟道区720,形成于漏极区722和源极区724间，沟道区720直接 接触富硅介电层730。
缓冲介电层750可由非有机材料、有机材料或上述的组合所组成，非有 机材料例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或上述的组合，有机材料 例如为聚醚胺(polyethylene terephthalate , PET)、 苯并环丁烯 (benzocyclobutane, BCB)、聚石圭氧烷(polysiloxane)、聚苯胺(polyaniline)、聚 曱基丙烯酸曱酯(polymethylmethacrylate， PMMA)、塑胶、橡胶或上述的组 合。在本发明的实施例中，緩冲介电层750可以是单一层或复合层，且单一 层或复合层的至少一层是由上述材料所组成。在本实施例中，緩沖介电层750 是非有机材料，例如为氧化硅或氮化硅，在另一非易失性存储器单元704的 实施例中，可不于基底705上形成緩冲介电层750。如上所述，激光诱发聚 集硅纳米点740是通过对富硅介电层730进行激光退火工艺形成。在一实施 例中，源极电极(未绘示)形成于源极区724上，漏极电极(未绘示)形成于漏 极区722上。
在一实施例中，源极电极(未绘示)形成于源极区724上，漏极电极(未绘 示)形成于漏极区722上，且两者可连接其它单元，例如信号线、电容器、 开关、能量线等。
存储器单元704的结构和非易失性存储器单元702的结构相类似，但存储器单元704的结构可不包括隧穿介电层736且基底为一玻璃基底。另外，在图7A 7C中，上述的实施例使用上栅极型态结构(top-gatetype structure),但本发明不限于此，本发明可使用下栅极型态结构(bo加m-gate type structure)。此外，本发明有关于非易失性存储器单元的制造方法，在一实施例中， 此方法包j舌(a) 提供半导体层720,具有源极区724和漏极区722;(b) 形成富硅介电层730于半导体层720上；(c) 对富硅介电层730进行激光诱发聚集工艺，以于富硅介电层730中 形成多个激光诱发聚集硅纳米点740;及(d) 形成导电层"710于富硅介电层"0上。 此方法更可包括以下一个或多个步骤(a) 提供源极电极和漏极电极，分别电性连接至源才及区724和漏极区 722;和/或(b) 形成隧穿介电层736于半导体层720和富硅介电层730间，(c) 提供緩冲介电层750于玻璃基底705上，以使半导体层720形成在 緩冲介电层750上。导电层710是由透明材料、不透明材料、反射材料或上述的组合所组成， 半导体层720是由非晶硅、多晶硅、微晶硅、单晶硅或上述的组合所组成。 半导体层720包括N型半导体层、P型半导体层、激光结晶N型半导体层、 激光结晶P型半导体层或上述的组合，激光结晶N型半导体层和激光结晶P 型半导体层由激光结晶工艺形成。在一实施例中，基底750、半导体层720和导电层710至少其一为透明 材料、不透明材料、反射材料或上述的组合所组成，本实施例在激光结晶工 艺中，将激光沿任何恰当的方向传递至半导体层720。在另一实施例激光结 晶工艺中，将激光沿任何恰当的方向，穿过一层或是多层透明层，传递至富 碰介电层730。又另外，如图8A 8F所示，本发明有关于包括以下步骤的非易失性存 储器单元的制造方法(a) 提供緩沖介电层MO于基底810上；(b) 提供多晶硅半导体层于緩冲介电层820上，其中源极区830(n+或p+)、例如n沟道或p沟道的本4正沟道区850(intrinsic channel)和漏4及区840(n+ 或p+)，分别形成于半导体层中；
(c) 提供隧穿介电层860于多晶硅半导体层上；
(d) 形成富硅介电层870于隧穿介电层860上；
(e) 对富硅介电层870进行激光诱发聚集工艺，以于富硅介电层870中 形成多个激光诱发聚集硅纳米点875;及
(f) 形成导电层880于包括激光诱发聚集硅纳米点875的富硅介电层870 上，作为控制栅极。
在一实施例，于步骤(e)中，激光诱发聚集工艺以激光光束从富硅介电层 870的顶部进行，在另一实施例中，若导电层880是透明材料组成，激光诱 发聚集工艺亦可在步骤(f)之后，于富硅介电层870上形成导电层880之后进 行。
緩冲介电层820和隧穿介电层860至少其一可由非有机材料、有机材料 或上述的组合所组成，非有机材料例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化 硅或上述的组合，有机材料例如为聚醚胺(polyethylene terephthalate ， PET)、 苯并环丁蹄(benzocydobutane, BCB)、聚硅氧烷(polysiloxane)、聚苯胺 (polyaniline)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate， PMMA)、塑胶、 橡胶或上述的组合。在本发明的实施例中，緩冲介电层820和隧穿介电层860 至少其一可以是单一层或复合层，且单一层或复合层的至少一层是由上述材 料所组成。在本实施例中，緩冲介电层820例如为氧化硅或氮化硅，且隧穿 介电层860例如为氧化硅。
本发明在一实施例中至少可不提供緩沖介电层820和隧穿介电层860两 者之一。
在一实施例中，非易失性存储器单元的导电层880为透明层，例如铟锡 氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)或铪氧化物(HfO)或上述 的组合，或其它适合的材料，且在一实施例中，栅极和导电层880连接。
在一实施例中，富硅介电层870包括富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮 氧化物、富硅碳化物或上述的组合。在一实施例中，基底810是例如玻璃的 透明基底，在另一实施例中，基底810是具有弹性的基底，例如塑胶基底。
在一实施例中，半导体层是由非晶硅、多晶硅、微晶硅、单晶硅或上述 的组合所組成。图9A 图9C分别显示能带图，比较当电子穿过量子点至激光诱发聚集 硅纳米点的深能量带，于图9A的实施例进行写入，于图9B的实施例进行 读取，于图9C的实施例擦拭非易失性存储器单元的数据。实施范例3光感测单元请参照图10,其显示本发明一实施例光感测单元1000,于富硅介电层 中包括多个激光诱发聚集硅纳米点，光感测单元1000具有(a) 第一导电层1010;(b) 第二导电层1040;及(c) 富硅介电层1030位于第一导电层1010和第二导电层1040间，包括 多个激光诱发聚集硅纳米点1020。如上所述，光感测单元1000的激光诱发聚集硅纳米点1020是通过对富 硅介电层1030进行激光退火工艺形成。第二导电层1040是透明的，以使例 如激光光束的可见光到达光感测单元1000的富石圭介电层1030。在一实施例 中，光感测单元1000的第一导电层1010是反射材料所组成，例如金、4艮、 铜、铁、锡、铅、镉、钛、钽、鴒、钼、铪、钕、上述的合金、组合、上述 的氮化物或上述的氧化物，在一实施例中，光感测单元1000的第二导电层 1040是透明层，例如由以下透明材料所组成，铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化 物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、铪氧化物(HfO)、上述的组合或其它适合的材 料，但光感测单元1000的第二导电1040亦可由反射材料所组成，例如金、 银、铜、铁、锡、铅、镉、钛、钽、钨、钼、铪、钕、上述的合金、组合、 上述的氮化物或上述的氧化物。富硅介电层1030包括多个激光诱发聚集硅纳米点1020,富硅介电层 1030组成材料是富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物或上 述的组合。在一实施例中，第一导电层1010是形成在基底上，第一导电层1010、 第二导电层1040和基底至少其一是由透明材料、不透明材料、反射材料或 上述的组合所组成。本实施例可使用一个或多个上述光感测单元形成光侦测器，光感测单元 亦可以用作光感测器、光侦测器、指紋感测器(fmgerprint sensor)、环境光感 测器、例如用于触控显示器的显示面板。如图IO所示，在一实施例中，电池105(M诸存将光感测单元1000暴露至可见光1002、 1004所产生的电位能，且电流计1060用来量测光感测单元 1000所产生的对应单元。在一 实施例中，光感测单元1000的富硅介电层1030 是富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物或上迷的组合所形 成。
另外，本发明形成光感测器IOOO的方法包括以下步骤
(a) 提供第一导电层1010;
(b) 形成富硅介电层1030于第一导电层1010上；
(c) 对富硅介电层1030进行激光诱发聚集工艺，以于富硅介电层1030 中形成多个激光诱发聚集硅纳米点1020;及
(d) 形成第二导电层1040于包括激光诱发聚集硅纳米点1020的富硅介 电层1030上。
在一实施例中，上述的方法还包括提供基底，以使第一导电层可形成在 基底上的步骤。第一导电层IOIO、第二导电层1040和基底至少其一是由透 明材料、不透明材料、反射材料或上述的组合所组成。在一实施例中，富硅 介电层是由富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物或上述的 组合所组成。本实施例在激光结晶工艺中，将激光沿任何恰当的方向，穿过 一层或是多层透明层，传递至富硅介电层。
本发明非必要一定要采取上述步骤的顺序，且此工艺也非实行本发明的 必要手段，换言之，上述的工艺步骤可以不同的顺序进行。在一实施例中， 光感测单元的第一导电层是金属层，在另一实施例中，光感测单元1000的 第一导电层IOIO和第二导电层1040均是透明层，例如包括以下透明材料为 铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)或铪氧化物(HfO)或 上述的组合，然而，光感测单元1000的第一导电层1010和第二导电层1040 可以由其它材料组成。
在一实施例中，光感测单元1000的富硅介电层1030是由富硅氧化物、 富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物或上述的组合所组成。
图11显示本发明一实施例光感测单元1000的应用，此光感测单元于富 硅介电层1030包括激光诱发聚集硅纳米点1020且连结一读取薄膜晶体管 (TFT)。如图IO所示，光感测单元包括基底上的第一导电层1010、包括激光 诱发聚集硅纳米点1020的富硅介电层1030和第二导电层1040。读取薄膜晶 体管包括高掺杂N型硅源极区1110、高掺杂N型硅漏极区1120、栅极1130、位于栅极、高掺杂N型硅源极区1110和高掺杂N型硅漏极区1120间的介 电层(未绘示)。光感测单元1000用作一光二极管，其第二导电层1040经由 连接导线1040A,电性连接至一电路(未绘示)的接地，且其第一导电层IOIO 电性连接读取薄膜晶体管的源极区1110。栅极1130经由连接导线1140耦接 电路(未绘示)的一部分，且漏极区1U0经由连接导线1150耦接电路(未绘示) 的另一部分，栅极1130和漏极区1120分别经由连接导线1140、 1150耦接 电^各的其它部分。图12显示本发明一实施例包括多重光感测单元的共用电路，其多重光 感测单元于富硅介电层包括激光诱发聚集硅纳米点，图12仅显示4个光感 测单元。光感测单元一般以NxM阵列的方式构成光感测器或光侦测器，其 中N和M非零的整数。在此示范的电路中，电源供应VDD、接地GND和 重置输入RESET由所有的光感测单元共用，每一行和每一列分别将其本身 的输入和对应的行(ROW,、 ROW2…ROWn)和(COL,、 COL2…COLm)列共用。图13显示本发明一实施例读取薄膜晶体管和光感测单元的剖面图，其 光感测单元于富硅介电层中包括多个激光诱发聚集硅纳米点，且整合至低温 多晶硅(LTPS)面板1300。在光感测单元的第一部分1340中，光感测单元形 成有第一导电层1312、包括激光诱发聚集硅纳米点的富硅介电层1314和第 二导电层1316,在光感测单元的第二部分1350中，读取薄膜晶体管(TFT) 形成在基底上，基底1310包括源极区1322、漏极区1324和栅极1326。在本实施例中，第一导电层1312是一金属层，其用以电性耦接读取薄 膜晶体管的源极区1322，第二导电层1316是透明导电层，以使其能被可见 光穿过，以使光线传递至包括激光诱发聚集硅纳米点的富硅介电层1314。栅 极1326和漏极区1324电性耦接电路的其它部分。本实施例于光感测单元的 顶部定义窗1330，以供光线穿过，其在此技术领域中称为填充因子(fill factor)。图14显示本发明另一实施例将光感测单元整合至低温多晶硅薄膜晶体 管(LTPS),其具有较宽的填充因子，在图14中，光感测单元于读取薄膜晶 体管上具有三层堆叠结构，光感测单元形成有第一导电层1412、包括激光诱 发聚集硅纳米点的富硅介电层1414和第二导电层1416。本实施例通过此光 感测单元三层结构层增大光感测单元的填充因子，以覆盖更广的区域。读取 薄膜晶体管具有源极区1422、漏极区1424和栅极1426,源极区电性耦接光感测单元的第一导电层1412,读取薄膜晶体管形成于基底1410上。在一实 施例中，基底1410为例如玻璃的透明基底，在另一实施例中，基底1410为 例如塑胶的弹性基底。当将光感测单元运用于显示面板时，将光感测单元设 置面向环境光1430，另外，背光M40通常用来于显示面板显现信息，为了 避免背光干扰光感测单元，通常利用第一导电层1412有效的遮挡背光。
本发明另有关一于富硅介电层包括激光诱发聚集硅纳米点的多层结构， 在一实施例中，此多层结构包括
(a) 基底；
(b) 第一导电层位于基底上；及
(c) 富硅介电层位于第一导电层上，其富硅介电层包括多个激光诱发聚 集硅纳米点。
在一实施例中，富硅介电层是富硅氧化薄膜、富硅氮化薄膜、富硅氮氧 化薄膜、富硅碳化薄膜或上述的组合，富硅氧化层的折射系数约为1.47~2.3, 以约为1.47-2.5较佳，富硅氮化层的折射系数约为1.7~2.3,以约为1.7-2.5 较佳，至少部分的激光诱发聚集硅纳米点的直径范围约为2~10nm。
在此多层结构中，富硅介电层的厚度大体上为50~1000nm,激光诱发聚 集硅纳米点的密度以lxl0"/cm2 lxl0力cm2较佳。在一实施例中，多层结构 亦包括第二导电层，第一导电层和第二导电层至少其一是由透明材料、不透 明材料、反射材料或上述的组合所组成。
此多层结构亦可运用于太阳能电池、光感测单元和显示面板，显示面板 更可为一触控面板，更甚者，此多层结构可用于非易失性存储器单元，其中 至少部分的硅纳米管芯可用作储存节点。
本实施例一个或多个光感测单元可用于形成光感测器、光侦测器、触控 显示器和/或可触控的显示器。图15A揭示本发明一实施例的显示面板1500， 此显示面板1500包括(a)显示数据的显示区1510、 (b)传输数据和用户输入 信号的显示区1520、 (c)侦测光的光侦测器1530、 (d)将太阳能转换成电力 的太阳能电池1540、 (e)侦测环境光的环境光感测器1550，上述的单元均包 括至少一具有多个激光诱发聚集硅纳米点的富硅介电层。在本发明的一范例 中，显示面板1500为矩形，其宽度约为38mm，高度约为54mm。
在第一实施例中，显示面板1500包括显示数据的显示区1510,在非显 示区中，显示面板包括侦测光的光侦测器1530、将太阳能转换成电力的太阳能电池1540、和侦测环境光的环境光感测器1550。光侦测器1530和环境光 感测器1550可设置于任何角落区，以侦测环境光或其它光线。太阳能电池 1540可设置于显示区1510的周围，将太阳能转换成电力，以节省显示面板 1500消耗的能量。在第二实施例中，显示面板1500包括显示数据和接收用户控制信号的 显示区1510，显示面板本身为触控面板。在第三实施例中，显示面板1500包括显示数据和接收用户控制信号的 显示区1510，与非显示区，非显示区中包括侦测光的光侦测器1530、将大 阳能转换成电力的太阳能电池1540、和侦测环境光的环境光感测器1550至 少其一。光侦测器1530和环境光感测器1550可设置于任何角落区，以侦测 环境光或其它光线。太阳能电池1540可设置于显示区1510的任何角落区， 将所接收的光线转换成电力，以节省显示面板1500消耗的能量。在第四实施例中，显示面板1500包括显示数据的显示区，且包括显示 数据和接收用户控制信号的显示区，与非显示区。显示面板1500亦包括侦 测光的光侦测器1530、将太阳能转换成电力的太阳能电池1540、和侦测环 境光的环境光感测器1550。光侦测器1530和环境光感测器1550可设置于显 示区1510的任何区域，以侦测环境光或其它光线。太阳能电池1540可设置 于显示区1510的任何区域，将显示面板1500表面所接收的光线转换成电力， 以节省显示面板1500消耗的能量。本发明可在不违背本发明上述教示，将显示面板的元件作其它结合。具有阵列排列光感测单元的显示区1510可用来侦测用户于显示面板 1500表面的控制信号，此显示面板1500仅为本发明揭示技术的范例，不用 以限定本发明。图15B显示本发明一实施例图15A显示区1510多个像素的像素，每个 显示区1510多个像素均包括至少一显示区1560、扫描线1570和数据线1580， 扫描线1572是供邻近像素使用的，数据线1582亦是供邻近像素使用的。每 个像素包括至少一显示像素、触控面板像素、光侦测器1530、太阳能电池 1540和环境光感测器1550。多个像素可以NxM的阵列排列，以形成大显示 面板或触控面板，其具有光侦测器1530、太阳能电池1540和环境光感测器 1550的任何或所有功 育巨。本发明提供的方法可用来制作太阳能元件的光电转换(photovoltaic)层或光侦测元件的光感测层，其以高效率激光退火工艺在低温下制作。本发明一 实施例的介电层中的激光诱发聚集硅纳米点具有高密度、高均匀度、平均分 布和均匀直径的特性。本发明实施例中使用分子激光进行低温退火工艺，此 工艺不需要高温预退火，且可和已知的工艺整合，以制作低温多晶硅薄膜晶
体管(LTPS TFT)。本发明实施例的包括激光诱发聚集硅纳米点的富硅介电层 可用于太阳能电池、触控显示器、环境光感测器、光侦测器，且可和全色域 高分辨率薄膜晶体管显示器整合。本发明实施例制作的硅纳米管芯量子点亦
可用于非易失性存储器单元的储存节点，提供较高的储存时间、可靠度和操 作速度。
以上提供的实施例用以描述本发明不同的技术特征，但根据本发明的概 念，其可包括或运用于更广泛的技术范围，或本发明技术可进行调整，例如 当本发明使用铟锡氧化物(ITO)层，本发明另可使用铟锌氧化物(IZO)层，须 注意的是，实施例仅用以揭示本发明工艺、装置、组成、制造和使用的特定 方法，并不用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围 内，当可作些许的更动与润饰。因此，本发明的保护范围，当视后附的权利 要求所界定的为准。
权利要求
1.一种包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，包括形成第一导电层于基底上；及形成富硅介电层于该第一导电层上，其中该富硅介电层具有多个硅纳米管芯。
2. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中该 硅纳米管芯经由对该富硅介电层进行激光退火步骤，使富硅激发产生聚集而 形成。
3. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中具 有该硅纳米管芯的该富硅介电层经由等离子体辅助化学气相沉积工艺形成。
4. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中该 富硅介电层包括富硅氧化物、富硅氮化物或上述的组合。
5. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中该 富硅介电层的折射系数大体上为1.4-2.3。
6. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中该 富硅介电层的折射系数大体上为1.47-2.5。
7. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中形 成该富硅介电层的步骤包括使用等离子体辅助化学气相沉积法工艺，以第一组条件形成厚度大体上 为50~1000nm的富硅介电层；改变该富硅介电层的硅含量比，以使该富硅介电层形成所需的折射系 数；以及对该富硅介电层进行激光退火步骤，使富硅激发产生聚集，以于该富硅 介电层中形成该硅纳米管芯，其中该第 一组条件包括有效温度大体上为 200。C 400。C,有效工艺时间大体上为13秒~250秒。
8. 如权利要求7所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法。
9. 如权利要求8所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中该 硅含量比的范围大体上为1:10 2:1，以使该富硅介电层的折射系数至少在 1.47~2.5的范围中。
10. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中形成该富硅介电层的步骤，包括使用等离子体辅助化学气相沉积法工艺，以第一组条件形成厚度大体上 为100~500nm的富硅介电层；改变该富硅介电层的硅含量比，以使该富硅介电层形成所需的折射系 数；以及对该富硅介电层进行激光退火步骤，使富硅激发产生聚集，以于该富硅 介电层中形成该硅纳米管芯。
11. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中形 成该具有该硅纳米管芯的富硅介电层的步骤包括对该富硅介电层进行激光退火步骤，使富硅激发产生聚集，以于该富硅 介电层中形成该硅纳米管芯，其中该激光退火步骤包括以分子激光，在可调 整频率和激光能量且温度低于400°C的条件下，对该富硅介电层进行退火， 其中该分子激光对该富硅介电层进行退火的步骤还包括在激光能量密度为70 300 mJ/cn^的范围调整激光能量密度，以形成多 个直径为3~10nm的硅纳米管芯。
12. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中形 成该具有该硅纳米管芯的富硅介电层的步骤包括对该富硅介电层进行激光退火步骤，使富硅激发产生聚集，以于该富硅 介电层中形成该硅纳米管芯，其中该激光退火步骤包括以分子激光，在可调 整频率和激光能量且温度低于400。C的条件下，对该富硅介电层进行退火， 其中该分子激光对该富硅介电层进行退火的步骤还包括在激光能量密度为70 200 mJ/cn^的范围调整激光能量密度，以形成多 个直径为3~6nm的硅纳米管芯。
13. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中形 成该具有该硅纳米管芯的富硅介电层的步骤包括对该富硅介电层进行激光退火步骤，使富硅激发产生聚集，以于该富硅 介电层中形成该硅纳米管芯，其中该激光退火步骤包括以分子激光，在可调 整频率和激光能量且温度低于400。C的条件下，对该富硅介电层进行退火， 其中该分子激光对该富硅介电层进行退火的步骤还包括在激光能量密度为200-300 mJ/cn^的范围调整激光能量密度，以形成多 个直径为4~10nm的硅纳米管芯。
14. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中该 富硅介电层的厚度大体上为50~1000nm，其中该硅纳米管芯的密度大体上为 lxlO"/cmMxlO'2/cm2。
15. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，其中该 第一导电层包括金属、金属氧化物或上述的组合。
16. 如权利要求1所述的包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法，还包括 形成第二导电层于该富硅介电层上，其中该第二导电层包括金属、金属氧化 物或上述的组合。
17. —种太阳能电池，包括 基底；下电极层，形成于该基底上；第一半导体层，形成于该下电极上，其中该第一半导体层掺杂n+或p+ 掺杂物，以形成第一N掺杂或P掺杂半导体层；包括多个激光诱发聚集硅纳米点的富硅介电层，形成于该第一 N掺杂或 P掺杂半导体层上，其中该富硅介电层包括富硅氧化物、富硅氮化物、富硅 氮氧化物、富硅碳化物或上述的组合；第二半导体层，位于该富硅介电层上，其中该第二半导体层掺杂p+或 n+掺杂物，以形成第二P掺杂或N掺杂半导体层；及上电极层，形成于该第二P掺杂或N掺杂半导体层上。
18. —种形成太阳能电池的方法，包括 提供基底；形成下电极层于该基底上； 形成第一半导体层于该下电极上；掺杂该第一半导体层，以形成第一N掺杂或P掺杂半导体层；形成富硅介电层于该第一N掺杂或P掺杂半导体层上，其中该富硅介电层具有多个激光诱发聚集硅纳米点；形成第二半导体层于具有该激光诱发聚集硅纳米点于该富硅介电层上；掺杂该第二半导体层，以形成第二N掺杂或P掺杂半导体层；及形成上导电层于该第二半导体层上。
19. 如权利要求18所述的形成太阳能电池的方法，其中形成具有该激光 诱发聚集硅纳米点的该富硅介电层的步骤包括以激光光束照射该富硅介电层。
20. —种形成太阳能电池的方法，包括 提供基底；形成至少包括两层的多层结构于该基底上，其中该多层结构的每一层至 少具有第一型态；于该基底和该多层结构间形成第 一导电层； 形成第二导电层于该多层结构上；及以激光光束照射该多层结构，使该多层结构的至少一层从该第一型态转 换成第二型态，其中该多层结构的至少一层包括多个激光诱发聚集硅纳米 点，该第二型态包括大体上的结晶态、大体上的微晶态或非晶态。
21. 如权利要求20所述的形成太阳能电池的方法，其中该多层结构的每 一层的第一型态为非晶态。
22. —种非易失性存储器单元，包括 基底；半导体层，包括源极区和漏极区，其中该源极区为n+型态或p+型态， 该漏极区为n+型态或p+型态；源极电极和漏极电极，分别电性耦接该源极区和该漏极区；富硅介电层，作为电荷储存层，形成于该半导体层上，该富硅介电层包 括多个激光诱发聚集硅纳米点；及导电层，形成于该电荷储存层上，作为控制栅极。
23. 如权利要求22所述的非易失性存储器单元，还包括緩沖介电层，形 成于该半导体层和该基底间；以及隧穿介电层，形成于该富硅介电层以及该基底间。
24. —种非易失性存储器单元的制造方法，包括 提供基底；提供半导体层于该基底上，包括源极区、本征沟道区和漏极区，其中该 源极区为n+型态或p+型态，该漏极区为n+型态或p+型态，该本征沟道区为 n沟道或p沟道；提供源极电极和漏极电极，分别电性耦接该源极区和该漏极区；形成富硅介电层于该基底上方；以激光光束照射该富硅介电层，以形成多个激光诱发聚集硅纳米点；及形成导电层于包括该激光诱发聚集硅纳米点于该富硅介电层上，作为控制栅极。
25. —种光感测单元，包括 第一导电层； 第二导电层；及富硅介电层，形成于该第一导电层和该第二导电层间，且包括多个激光 诱发聚集硅纳米点。
26. —种光感测单元的制造方法，包括 提供第一导电层；形成富硅介电层于该第一导电层上；对该富硅介电层进行激光诱发聚集工艺，以使该富硅介电层形成多个激光诱发聚集硅纳米点；及形成第二导电层于该富硅介电层上。
27. 如权利要求26所述的光感测单元的制造方法，其中在该激光诱发聚 集工艺中，激光沿任何方向，穿过一层或是多层透明层，传递至该富硅介电 层。
28. —种包括硅纳米管芯的多层结构，包括 基底；第一导电层形成于该基底上；及富硅介电层形成于该第一导电层上，其中该富硅介电层包括多个激光诱 发聚集硅纳米点，其中至少部分该激光诱发聚集硅纳米点的直径大体上为 2~10nm，该激光诱发聚集硅纳米点的密度大体上为lxlO"/cmLlxlO cm2。
29. 如权利要求28所述的包括硅纳米管芯的多层结构，其中该富硅介电 层为富硅氧化层或富硅氮化层，该富硅氧化层的折射系数大体上为1.47~2.3,该富硅氮化层的折射系数约为1.7 2.3。
30. 如权利要求28所述的包括硅纳米管芯的多层结构，其中该富硅介电 层为富硅氧化层或富硅氮化层，该富硅氧化层的折射系数大体上为1.47~2.5，该富硅氮化层的折射系数约为1.7 2.5。
全文摘要
本发明公开了包括硅纳米管芯的多层结构及其制造方法、太阳能电池及形成其的方法、非易失性存储器单元及其制造方法、以及光感测单元及其制造方法。在一实施例中，包括硅纳米管芯的多层结构的制造方法包括步骤于基底上形成第一导电层，于第一导电层上形成富硅介电层，至少对富硅介电层进行激光退火步骤，使富硅激发产生聚集，以于富硅介电层中形成多个硅纳米管芯。富硅介电层折射系数大体上为1.47～2.5的富硅氧化层，或折射系数约为1.7～2.5的富硅氮化层，包括硅纳米管芯的多层结构可用于太阳能电池、光侦测器、触控显示器、非易失性存储器元件的储存节点或液晶显示器。
文档编号H01L21/3105GK101231944SQ20081000855
公开日2008年7月30日 申请日期2008年1月23日 优先权日2007年1月25日
发明者刘婉懿, 卓恩宗, 孙铭伟, 彭佳添, 赵志伟 申请人:友达光电股份有限公司