プラズマ エッチングおよび洗浄プロセスは、半導体製造の中核となるステップです。プロセスノードが 7nm、5nm、そしてそれ以上に進むにつれて、プラズマエネルギー密度は増加し続け、ハロゲンガス（フッ素-ベースと塩素-ベース）の化学活性はますます激しくなります。ウェハのエッチング中、これらのプラズマは、チャンバ壁、ライナー、フォーカス リング、ガス分配プレート、ビューポートなどを含む、チャンバ内のすべての露出したコンポーネントを無差別かつ継続的に腐食します。これは、表面の荒れ、材料の損失、メンテナンスのための機器のダウンタイムの増加につながるだけでなく、ウェハの汚染や、剥離した粒子による歩留まりの低下の原因にもなります。したがって、半導体装置材料の分野では、プラズマ腐食に対するより高い耐性を有する材料の探索が急務となっている。酸化イットリウム (Y2O3) は、この領域においてかけがえのない役割を果たしています。
なぜ酸化イットリウムは半導体装置にとって不可欠なのでしょうか?
半導体装置では、酸化アルミニウム (Al₂O₃) が最も一般的に使用される構造用セラミック材料です。融点は 2050 度で、機械的強度が高く、耐摩耗性が高く、電気絶縁性に優れ、化学的安定性も良好です。ただし、Al-O 結合の結合エネルギーは約 498 kJ/mol です。ほとんどの化学攻撃には耐性がありますが、高エネルギーのプラズマ条件下ではフッ素と容易に反応して、薄片状で剥がれやすいフッ化物層 (AlF₃) を形成します。-この層は表面に堆積して結晶化し、保護層を継続的に消費しながら、ウェーハを剥離して汚染する粒子を生成します。
対照的に、酸化イットリウム (Y2O3) は立方晶系の結晶系を持ち、融点は 2430 度にも達します。優れた電気絶縁性と光透過性に加えて、Y-O結合エネルギーは780 kJ/molにも及びます。ハロゲン（特に F および Cl）との化学反応性が極めて低いです。フッ素と反応すると、剥離しにくい、より安定した緻密な YF₃ 層が形成されます。これにより、パーティクルの発生が大幅に減少するだけでなく、装置コンポーネント (エッチング チャンバー壁、シャワーヘッドなど) に対するフッ素プラズマによるさらなる攻撃が効果的に防止され、コンポーネントの耐用年数が延長されます。一般的な高密度の-フッ素系-または塩素系-のプラズマ環境では、Y₂O₃ のエッチング速度は通常、Al₂O₃ の 1/20 ～ 1/50 に過ぎません。さらに、Y2O3 は 2430 度の融点を持ち、1750 度を超える高温でも揮発や変形を起こすことなく構造の完全性を維持でき、プラズマプロセスの極端な温度条件に適応します。体積抵抗率は 10¹² Ω・cm を超え、誘電損失が低いため、高周波 RF 場の安定性が確保され、材料の誘電特性の低下によって引き起こされるプロセスの逸脱が回避されます。
半導体装置における酸化イットリウムの応用
酸化イットリウムの核となる特性に基づいて、さまざまな半導体装置コンポーネントの特定の要件と組み合わせると、半導体分野でのアプリケーションは主に 4 つのカテゴリに分類されます。
01 酸化イットリウムコーティング
酸化イットリウムは希土類材料として比較的高価であるため、ほとんどのエッチング装置のチャンバーやコンポーネントには純粋な Y2O3 セラミックが使用されていません。代わりに、プラズマ溶射や物理蒸着 (PVD) などの技術を使用して、厚さ約 100 ～ 300 μm の緻密な Y2O3 コーティングがアルミニウム合金または Al2O3 基板 (チャンバー ライナー、フォーカス リング、ガス分配プレートなど) の表面に堆積されます。これは現在、半導体装置で最も広く使用されている酸化イットリウム コーティングの形式です。このアプローチは、コストを削減しながら、基材の構造強度と Y2O3 の表面耐食性のバランスをとります。 7nm 以下の高度なプロセス ノードでは、酸化イットリウム コーティングが徐々に業界標準の保護構成となり、エッチング装置チャンバーの主要なメンテナンス サイクルが数百時間から 1,000 時間以上に延長されると同時に、パーティクル汚染が軽減され、装置の稼働時間とウェーハの歩留まりが大幅に向上します。
02 透明な酸化イットリウムのビューポート
半導体プラズマ装置のビューポートは、プロセス条件を監視し、プロセスの精度を確保するための重要なコンポーネントです。優れたプラズマ耐食性だけでなく、オペレーターがチャンバー内でのウェーハ処理を明確に観察できるようにするための優れた光透過性も必要です。石英ガラスやアルミナなどの従来の透明材料は、フッ素ベースのプラズマ環境では容易に腐食され、表面が粗くなり、透過率が低下し、長期使用要件を満たせなくなります。-透明酸化イットリウムセラミックスは、紫外から赤外（0.29～8μm）までの透過範囲を持ち、遠赤外領域でも約80%の直線透過率を誇ります。優れたプラズマ耐食性と組み合わせることで、フッ素系および塩素系のプラズマ環境で長期間使用した後でも、きれいな表面と安定した透明度を維持できます。{{10}{11}}腐食性の破片や結晶性不純物が生成されないため、観察品質が確保され、ウェーハの汚染が回避されます。
03 酸化イットリウム複合セラミック部品
純粋な酸化イットリウム セラミックは機械的強度が比較的低く、焼結の難易度が高く、コストが高いため、業界では主にドープ酸化イットリウム ベースの複合セラミックを使用して、性能要件と費用対効果のバランスをとっています。{0}{1}たとえば、酸化イットリウムに一定の割合の酸化アルミニウムをドープして形成されるイットリウム アルミニウム ガーネット (YAG) も立方晶構造を持ち、安定した化学的性質を持っています。プラズマ中の活性ガス (フッ素、塩素、その他のハロゲンなど) との激しい化学反応を起こしにくいです。フッ素-を含むプラズマ環境では、Al₂O₃ などの材料と比較して、生成するフッ化物の副生成物が少なく、粒子汚染や表面腐食を効果的に軽減します。同時に、純粋な酸化イットリウムセラミックと比較して、YAG は高い硬度 (モース硬度 8 ～ 8.5) と優れた機械的強度を備えているため、エッチャーにおける特定の機械的強度要件を持つコンポーネントに適しており、透明なビューポートとしても使用できます。