[发明专利]具有搭桥晶粒结构的多晶硅薄膜晶体管

说明书

对其它申请的交叉引用

要求美国临时申请60/929,338的优先权，在此并入其全部内容作为 参考。

技术领域

本申请涉及用来在玻璃衬底上形成高性能、高均匀性、和高可靠性 低温多晶薄膜器件的方法和系统。

背景技术

下列段落包括一些讨论，其通过本申请中公开的创新来阐明，并且 在这些段落中的实际的或被提议的或可能的方法的任何讨论并不意味 着那些方法是现有技术。

例如在电视和计算机屏幕中使用的显示装置迅速发展成采用有源 矩阵驱动技术的高质量平板显示器。最新的显示器技术，例如液晶显示 器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、和电子墨水，全都受益于有 源矩阵驱动。有源矩阵驱动允许实现串扰大大减小的全色和高分辨率。 有源矩阵驱动显示器的基本关键技术是在平坦衬底上制造薄膜晶体管 (TFT)，所述平坦衬底通常是玻璃。

在常规有源矩阵显示器中，利用非晶硅(a-Si)形成TFT。这是由 于它在大面积玻璃衬底上的低加工温度和低制造成本。最近在高分辨率 液晶显示器的制造中正在采用多晶硅(poly-Si)。多晶硅也具有这样的 优点：电路也可以被集成到玻璃衬底上。多晶硅也对像素提供更大开口 率的可能性，因此增加了显示器的光利用效率并且减小了功耗。对于需 要大电流的应用而言，非晶硅不合适，仍然必须使用多晶硅。

为实现多晶硅TFT有源矩阵显示器面板的工业化制造，需要很高质 量的多晶硅膜。它需要满足以下要求：低温加工、可以在大面积玻璃衬 底上实现、低制造成本、稳定的制造工艺、高性能、一致的特性、以及 多晶硅TFT的高可靠性。

高温多晶硅技术可以用来实现高性能TFT，但是它不能用于商业显 示器面板中使用的普通玻璃衬底。在这样的情形下必须使用低温多晶硅 (LTPS)。有三种主要的LTPS技术：(1)通过在600℃长时间退火的 固相结晶(SPC)；(2)准分子激光晶化(ELC)或闪光灯退火；以及 (3)金属诱导结晶(MIC)及其有关变体。ELC产生最好的结果但是 昂贵。SPC成本最低但是花的时间长。这些技术都不能满足上述低成本 和高性能的所有要求。

所有多晶薄膜材料所共有的是，膜的晶粒在尺寸、晶体取向和形状 上基本上随机分布。晶界通常也对优良TFT的形成有害。当该多晶薄膜 被用作TFT中的有源层时，电特性取决于在有源沟道中存在多少晶粒和 晶界。

所有现有技术的共同问题是，它们以不可预料的模式(pattern)在 TFT有源沟道内形成许多晶粒。晶粒的分布是随机的，使得TFT的电特 性在衬底上有些不均匀。该电特性的宽分布对显示器的性能有害并且导 致问题，例如mura缺陷和亮度不均匀。

多晶薄膜晶体管的晶粒形成随机的网络。对于任何半导体材料例如 硅、锗、硅锗合金、三五族化合物半导体、以及有机半导体来说，事实 都是如此。晶粒内部的传导几乎与晶体材料相同，而跨过晶界的传导更 差并且造成迁移率的总体损失并且增加的阈值电压。在由这种多晶薄膜 制成的薄膜晶体管(TFT)的有源沟道内部，晶粒结构几乎是二维随机 网络。随机性以及相应而生的可变电导不利地影响显示器性能和图像质 量。

如图1a所示的典型多晶硅结构，低温多晶硅膜101包括晶粒102。 在相邻的晶粒102之间有明显的晶界103。每个晶粒102的长度大小从 数十纳米到几微米并且被认为是单晶。许多位错、堆垛层错以及悬挂键 的缺陷分布在所述晶界103中。由于不同的制备方法，低温多晶硅膜101 内部的晶粒102可以随机分布或沿确定的取向。

至于常规的低温多晶硅膜101，在晶界103中有严重的缺陷，如图 1b中所示。在晶界103中的严重缺陷将引入高势垒104。垂直于载流子 105的输运方向的所述势垒104(或倾斜势垒的垂直分量)将影响载流 子的初始状态和能力。

对于在该低温多晶硅膜101上制造的薄膜晶体管，阈值电压和场效 应迁移率受晶界势垒104限制。当高的反向栅电压施加在TFT中时分布 在结区域中的晶界103也引起大的漏电流。