一种外延设备及半导体器件的制作方法

本技术涉及半导体，尤其涉及一种外延设备及半导体器件。

背景技术：

1、随着半导体技术的不断发展，半导体材料已经广泛应用于各种领域。化合物半导体是由两种或两种以上元素构成的半导体材料，例如，gaas、gan及sic等材料为化合物半导体。化合物半导体由于高功率、高频率等优势，在信息通信、光电器件及新能源汽车等领域中有着不可替代的地位。

2、在相关技术中，采用化合物半导体材料制作半导体器件，制作工艺分为外延生长工艺和图形化工艺。具体地，先将衬底放入外延设备的反应腔中，经外延生长工艺后，在衬底的表面形成外延层。然后，将衬底从外延设备中取出，再经其他设备进行曝光显影、干法刻蚀、湿法刻蚀等图形化工艺后，得到外延层的图形。然而，图形化工艺的流程较复杂，很容易引入不稳定因素，尤其在刻蚀工艺过程中，干法刻蚀中的氯气(cl2)和湿法刻蚀中的强酸等化学物质很容易影响外延层的台阶界面，破坏台阶界面处的晶体，从而形成缺陷中心，缺陷中心具备捕获电子的能力，从而影响半导体器件的电性可靠性。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种外延设备及半导体器件，用以解决相关技术中因图形化工艺的流程较复杂，而影响半导体器件的电性可靠性的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种外延设备，该外延设备可以包括：外延工艺反应腔和第一激光控制系统。外延工艺反应腔内设有用于承载至少一个衬底的托盘，外延工艺反应腔包括第一激光可视窗口。第一激光控制系统用于出射第一激光，并使第一激光穿过第一激光可视窗口后，射向托盘承载的衬底的表面，第一激光用于干扰外延生长过程。在外延生长工艺过程中，衬底的表面未被第一激光照射的区域形成第一生长面，衬底的表面被第一激光照射的区域形成第二生长面；第二生长面的表面形态与第一生长面的表面形态不同，以使形成于第二生长面上的外延层经高温退火后脱落，得到图形化的外延层。其中，表面形态指的是外延层表面的微观形态，可以通过外延层的表面粗糙度、晶体质量等参数表征表面形态。

3、本技术实施例提供的外延设备中，在外延生长工艺过程中，第一激光可以干扰外延生长过程，改变衬底表面的表面形态，使衬底的表面被第一激光照射的区域形成第二生长面，衬底的表面未被第一激光照射的区域形成第一生长面。由于第二生长面的表面形态与第一生长面的表面形态不同，在第二生长面处形成的外延层的晶体质量较差，使得第二生长面处形成的外延层经退火后脱落，从而得到图形化的外延层。因此，本技术实施例中，可以在外延工艺反应腔内形成图形化的外延层，无需将衬底从外延工艺反应腔内取出后，再采用其他设备进行图形化工艺，因而，可以避免干法刻蚀或湿法刻蚀等工艺中的化学物质影响外延层的台阶界面，使外延层的台阶得到有效保护，提升半导体器件的电性可靠性。

4、在实际工艺过程中，可以先采用第一激光照射衬底的表面，再进行外延生长工艺。或者，也可以在采用第一激光照射衬底的表面的同时，进行外延生长工艺。

5、在本技术的一些实施例中，在外延工艺反应腔内还可以设有加热器和支撑盘，加热器位于托盘背离第一激光可视窗口的一侧，加热器可以提供外延生长工艺和高温退火工艺过程中的温度，支撑盘用于支撑托盘。可选地，可以将加热器设置在支撑盘的内部，以向托盘承载的衬底提供较均匀的温度。

6、在本技术实施例中，将第一激光控制系统设置在外延工艺反应腔的外部，可以防止外延生长工艺和高温退火工艺过程中的高温损伤第一激光控制系统，保证第一激光控制系统具有较好的功能。

7、在本技术的一些实施例中，上述第一激光控制系统可以包括：第一激光发生器和掩膜版。其中，掩膜版包括透光区域和遮光区域。第一激光发生器用于出射第一激光，并将第一激光射向掩膜版，以使第一激光穿过掩膜版的透光区域后，射向托盘承载的衬底的表面。

8、通过在第一激光控制系统中设置掩膜版，掩膜版中的遮光区域会遮挡光线，因而，第一激光只能穿过掩膜版的透光区域射向衬底。由于衬底的表面未被第一激光照射的区域形成第一生长面，衬底的表面被第一激光照射的区域形成第二生长面，因此，掩膜版中的遮光区域与第一生长面的区域对应，掩膜版中的透光区域与第二生长面的区域对应。进而，掩膜版的遮光区域的图形与将要形成的外延层的图形一致，在具体实施时，可以根据将要形成的外延层的图形，来设置掩膜版中的透光区域和遮光区域的图形。掩膜版可以可拆卸的设置在第一激光控制系统内，以便根据将要形成的外延层的图形，更换掩膜版。

9、在本技术的一些实施例中，上述第一激光控制系统还可以包括：第二激光发生器，激光调节器和第一反射光接收器。第二激光发生器用于出射第二激光，第二激光的波长大于第一激光的波长。例如，第一激光的波长可以设置为小于365nm，例如，第一激光可以为紫外激光或极紫外激光，第一激光的功率可以设置为大于1w。第二激光的波长可以设置为大于365nm，例如，第二激光可以为绿光或蓝光，第二激光的功率可以设置为小于1w。第一激光的波长较短，可以使第一激光具有较高的能量，以使第一激光在照射到衬底的表面时，能够影响衬底的表面形态。第二激光的波长较长，可以使第二激光的能量较低，以使第二激光在照射到衬底的表面时，不会影响衬底的表面形态，因而，第二激光也不会被衬底的表面吸收，即第二激光能够被衬底反射。

10、激光调节器用于接收第一激光发生器出射的第一激光和第二激光发生器出射的第二激光，将调节后的第一激光和第二激光射向掩膜版，以使第一激光和第二激光穿过掩膜版的透光区域后，射向托盘承载的衬底的表面。可选地，激光调节器可以调节第一激光和第二激光的功率和频率。第一激光可以干扰外延生长过程，使衬底的表面被照射的区域形成第二生长面，由于第一激光与衬底的表面发生相互作用，因而第一激光被衬底的表面吸收。而第二激光的能量较低，第二激光不会与衬底发生相互作用，因而，第二激光被衬底的表面反射，得到第一反射光。

11、第一反射光接收器用于接收衬底的表面反射的第一反射光，对第一反射光进行处理，去除第一反射光中可能残留的第一激光，得到对应于第二激光的反射信号，并将得到的反射信号反馈至激光调节器。

12、激光调节器还用于根据反射信号确定第二生长面的表面粗糙度，根据确定的表面粗糙度重新调节第一激光，例如，可以调节第一激光的功率和频率，直至第二生长面的表面粗糙度达到设定阈值。其中，表面粗糙度可以表征表面形态。由于第一激光的能量较高，因而，第一激光照射到衬底的表面时，能够影响衬底的表面粗糙度。并且，衬底的表面粗糙度不同，则衬底表面反射的第一反射光的强度不同，因而，可以通过第一反射光接收器得到的反射信号，以及预先确定的反射信号与表面粗糙度的对应关系，得到第二生长面的表面粗糙度。然后，根据确定的表面粗糙度重新调节第一激光，若表面粗糙度未达到设定阈值，则重新调节第一激光，增加第一激光的强度，以增大第二生长面的表面粗糙度，最终使第二生长面的表面粗糙度达到设定阈值。

13、本技术实施例中，通过设置第二激光发生器、激光调节器和第一反射光接收器，并形成反馈回路，通过获取第二激光射向衬底表面后，得到的第一反射光，根据光的干涉原理，来反映第二生长面的表面粗糙度，进而，根据得到的表面粗糙度继续对第一激光进行调整，例如，可以调整第一激光t1的功率和频率，以使第二生长面的粗糙度达到设定值，从而使外延层的图形化的效果较好。

14、在本技术的一些实施例中，上述第一激光控制系统还可以包括：第一聚光透镜和第一分光器。第一聚光透镜位于激光调节器的出光侧，用于汇聚激光调节器出射的第一激光和第二激光，并将汇聚后的第一激光和第二激光射向第一分光器。第一分光器用于将第一聚光透镜汇聚后的第一激光和第二激光透射至掩膜版，并将衬底的表面反射的第一反射光反射至第一反射光接收器。也就是说，第一聚光透镜出射的第一激光和第二激光，以及衬底的表面的第一反射光均可以通过第一分光器传输，从而可以简化第一激光控制系统中的光路，使第一激光控制系统中的光路更加紧凑，缩小第一激光控制系统的体积。

15、本技术实施例中的上述外延设备还可以包括：与托盘连接的第一转轴，第一转轴用于带动托盘旋转。托盘的表面设有多个承载盘，承载盘用于承载衬底；多个承载盘沿至少一个环形线排列于托盘的表面，环形线以第一转轴作为中心对称轴，承载盘通过第二转轴与托盘连接，第二转轴用于带动承载盘旋转。在具体实施时，承载盘和第二转轴可以位于托盘的表面，或者，也可以在托盘的表面设置凹槽，将第二转轴和承载盘嵌入到凹槽中，从而减小托盘与承载盘的总厚度。

16、在本技术的一些实施例中，上述外延设备还可以包括：第二激光控制系统，外延工艺反应腔还可以包括第二激光可视窗口。第二激光控制系统用于出射第三激光，并使第三激光穿过第二激光可视窗口后，射向托盘的表面。托盘的表面设有第一标记；在托盘旋转过程中，第三激光在托盘上的路径经过第一标记。这样，可以根据第三激光的反射光，确定第三激光经过第一标记的时间和规律，并结合需要图形化的目标衬底与第一标记之间的位置关系，控制第一激光控制系统出射的第一激光射向目标衬底。可选地，可以在托盘的表面设置凹坑，将凹坑作为第一标记。此外，也可以采用其他方式设置第一标记，例如，可以在托盘的表面设置凸起作为第一标记。

17、在本技术实施例中，将第二激光控制系统设置在外延工艺反应腔的外部，可以防止外延生长工艺和高温退火工艺过程中的高温损伤第二激光控制系统，保证第二激光控制系统具有较好的功能。

18、在本技术的一些实施例中，上述第二激光控制系统可以包括：第三激光发生器，第二反射光接收器，光电信号转换器，以及转轴控制器。其中，第三激光发生器用于出射第三激光，并使第三激光穿过第二激光可视窗口后，射向托盘的表面。第二反射光接收器用于接收第三激光射向托盘的表面后反射的第二反射光，并将第二反射光传输至光电信号转换器。光电信号转换器用于将接收到的第二反射光转换为反射电信号，并将反射电信号传输至转轴控制器。转轴控制器用于在外延生长工艺过程中控制第一转轴转动，以带动托盘转动，以使形成的外延层的厚度较均匀。可选地，转轴控制器可以通过电机驱动第一转轴转动。

19、此外，由于托盘旋转的速度较快，为了使第一激光能够射向目标衬底的表面，需要通过转轴控制器控制托盘降速。转轴控制器还用于根据反射电信号确定第三激光经过第一标记的时间和周期，并结合目标衬底与第一标记之间的位置关系，调整第一转轴的转动速度，使托盘的转速降低至第一速度值，以使第一激光控制器出射的第一激光射向目标衬底的表面。可选地，第一速度值可以为零或其他数值。其中，上述目标衬底可以为需要形成图形化的外延层的衬底，目标衬底与第一标记之间的位置关系，可以为目标衬底与第一标记关于第一转轴所成的角度关系，或者，该位置关系也可以为目标衬底与第一标记之间的距离，或者，该位置关系也可以用其他参数表征，此处不做限定。

20、由于在托盘旋转过程中，第三激光在托盘上的路径经过第一标记，由于托盘中第一标记与其他位置处的材料和形状等存在差异，因而，第三激光射向第一标记位置处得到的第二反射光的强度，与第三激光射向第一标记外的其他位置得到的第二反射光的强度不同，因而，可以根据第二反射光确定第三激光经过第一标记的时间和周期。根据第二反射光的光信号和电信号的规律，再结合目标衬底与第一标记之间的位置关系，控制第一激光控制器出射的第一激光准确地射向目标衬底的表面，并且，控制第一激光射向目标衬底的表面的精度可以在1μm内。

21、在具体实施时，托盘以第一速度值转动时，可以通过控制第一激光控制器出射第一激光的频率，使第一激光控制器经过目标衬底的位置时，出射第一激光，第一激光控制器没有经过目标衬底的位置时，不出射第一激光。

22、此外，在本技术的实施例中，承载盘所承载的衬底包括第二标记，掩膜版上设有对位标记。转轴控制器还用于调整第二转轴的转动速度，以使承载盘的转速降低至第二速度值，以使目标衬底处的第二标记与掩膜版上的对位标记对齐。可选地，第二速度值可以为零或其他数值。转轴控制器可以通过气流调整第二转轴的转动速度。

23、由于衬底包括第二标记，在承载盘旋转过程中，第三激光在承载盘上的路径可以经过承载盘的表面和衬底的表面，由于承载盘与衬底的材料和形状等存在差异，因而，第三激光射向承载盘与衬底得到的第二反射光的强度不同，因而，可以根据第二反射光确定第三激光经过承载盘和衬底的规律。根据第二反射光的光信号和电信号的规律，可以控制目标衬底处的第二标记与掩膜版上的对位标记对齐，并且，对位精确可以控制到1μm内。

24、在具体实施时，上述第二激光控制系统还可以包括：光学透镜、第二分光器，以及第二聚光透镜。光学透镜位于第三激光发生器的出光侧，用于将第三激光发生器出射的第三激光传输至第二分光器。第二分光器用于将接收的第三激光传输至第二聚光透镜，接收第二聚光透镜出射的第二反射光，并将第二反射光传输至第二反射光接收器。第二聚光透镜用于汇聚第三激光，并将汇聚后的第三激光传输至托盘的表面，接收第三激光射向托盘的表面后反射的第二反射光，并将第二反射光传输至第二分光器。通过设置第二分光器，可以将光学透镜出射的光线传输至第二聚光透镜，也可以将第三聚光透镜出射的第二反射光传输至第二反射光接收器，从而可以简化第二激光控制系统的光路，使第二激光控制系统的光路更加紧凑，缩小第二激光控制系统的体积。

25、在本技术的一些实施例中，多个承载盘沿至少两个环形线排列于托盘的表面。第二激光可视窗口为沿托盘的径向延伸的条状结构，第二激光可视窗口的位置对应于至少两个环形线，且第二激光可视窗口的长度大于至少两个承载盘的宽度。第二激光控制系统可沿第二激光可视窗口的延伸方向移动。这样，通过控制第二激光控制系统移动，可以使第二激光控制系统出射的第三激光分别射向不同位置处的衬底，便于控制不同位置处的衬底与掩膜版对位。

26、第二方面，本技术实施例还提供了一种半导体器件的制作方法，该制作方法可以包括：

27、将衬底置于上述任一外延设备的外延工艺反应腔中的托盘上；

28、在外延生长工艺过程中，控制第一激光控制系统出射第一激光，使第一激光穿过第一激光可视窗口后，射向托盘承载的衬底的表面，以使第一激光干扰外延生长过程；衬底的表面未被第一激光照射的区域形成第一生长面；衬底的表面被第一激光照射的区域形成第二生长面；第二生长面的表面形态与第一生长面的表面形态不同；

29、在外延生长工艺形成的外延层进行高温退火，以使形成于第二生长面上的外延层脱落，得到图形化的外延层。

30、本技术实施例提供的上述制作方法中，在外延生长工艺过程中，控制第一激光控制系统出射第一激光，第一激光可以干扰外延生长过程，改变衬底表面的表面形态，使衬底的表面被第一激光照射的区域形成第二生长面，衬底的表面未被第一激光照射的区域形成第一生长面。由于第二生长面的表面形态与第一生长面的表面形态不同，在第二生长面处形成的外延层的晶体质量较差，使得第二生长面处形成的外延层经退火后脱落，从而得到图形化的外延层。因此，本技术实施例中，可以在外延工艺反应腔内形成图形化的外延层，无需将衬底从外延工艺反应腔内取出后，再采用其他设备进行图形化工艺，因而，可以避免干法刻蚀或湿法刻蚀等工艺中的化学物质影响外延层的台阶界面，使外延层的台阶得到有效保护，提升半导体器件的电性可靠性。

31、在具体实施时，上述在外延生长工艺过程中，控制第一激光控制系统出射第一激光，可以包括：

32、在外延生长工艺过程中，控制第一激光控制系统中的第一激光发生器出射第一激光及控制第二激光发生器出射第二激光；

33、控制第一激光控制系统中的激光调节器调节第一激光和第二激光的功率和频率；

34、控制第一激光控制系统中的第一反射光接收器接收衬底的表面反射的第一反射光，对第一反射光进行处理，得到对应于第二激光的反射信号，并将得到的反射信号反馈至激光调节器；

35、控制激光调节器根据反射信号确定第二生长面的表面粗糙度，根据确定的表面粗糙度重新调节第一激光的功率和频率，直至第二生长面的表面粗糙度达到设定阈值。

36、本技术实施例中，控制第一激光控制系统中的第一激光发生器出射第一激光及控制第二激光发生器出射第二激光，通过获取第二激光射向衬底表面后，得到的第一反射光，根据光的干涉原理，来反映第二生长面的表面粗糙度，进而，根据得到的表面粗糙度继续对第一激光的功率和频率进行调整，以使第二生长面的粗糙度达到设定值，从而使外延层的图形化的效果较好。

37、在实际应用中，在本技术的一些实施例中，上述制作方法还可以包括：

38、控制第二激光控制系统中的第三激光发生器出射第三激光，使第三激光穿过第二激光可视窗口后，射向托盘的表面；

39、控制第二激光控制系统中的光电信号转换器将接收到的托盘的表面反射的第二反射光转换为反射电信号，并将反射电信号传输至转轴控制器；

40、控制转轴控制器控制第一转轴转动，以带动托盘转动；

41、控制转轴控制器根据反射电信号确定第三激光经过托盘上的第一标记的时间和周期，并结合目标衬底与第一标记之间的位置关系，调整第一转轴的转动速度，使托盘的转速降低至第一速度值，以使第一激光控制器出射的第一激光射向目标衬底的表面；其中，上述目标衬底可以为需要形成图形化的外延层的衬底。

42、由于在托盘旋转过程中，第三激光在托盘上的路径经过第一标记，由于托盘中第一标记与其他位置处的材料和形状等存在差异，因而，第三激光射向第一标记位置处得到的第二反射光的强度，与第三激光射向第一标记外的其他位置得到的第二反射光的强度不同，因而，可以根据第二反射光确定第三激光经过第一标记的时间和规律。第二反射光的光信号和电信号的规律，再结合目标衬底与第一标记之间的位置关系，控制第一激光控制器出射的第一激光射向目标衬底的表面，从而使第一激光准确地射向目标衬底的表面。

43、此外，本技术实施例提供的上述制作方法，还可以包括：

44、控制转轴控制器调整第二转轴的转动速度，以承载盘的转速降低至第二速度值，以使目标衬底处的第二标记与掩膜版上的对位标记对齐。

45、在承载盘在旋转过程中，第三激光在承载盘上的路径可以经过承载盘的表面和衬底的表面，由于承载盘与衬底的材料和形状等存在差异，因而，第三激光射向承载盘与衬底得到的第二反射光的强度不同，因而，可以根据第二反射光确定第三激光经过承载盘和衬底的规律，从而，可以控制目标衬底处的第二标记与掩膜版上的对位标记对齐。

46、本技术实施例提供的制作方法的实施，可以参照上述任一外延设备的实施，重复之处不再一一赘述。

47、第三方面，本技术实施例还提供了一种半导体器件，该半导体器件采用上述任一外延设备制作而成。由于本技术实施例提供的外延设备，可以在外延工艺反应腔内形成图形化的外延层，无需将衬底从外延工艺反应腔内取出后，再采用其他设备进行图形化工艺，因而，可以避免干法刻蚀或湿法刻蚀等工艺中的化学物质影响外延层的台阶界面，使外延层的台阶得到有效保护，因此，本技术实施例提供的半导体器件的电性可靠性较高。