GLOSSARY

TDDB(酸化膜経時破壊)とは

Time-Dependent Dielectric Breakdown
最終更新:2026-09-01信頼性試験装置

TDDB(酸化膜経時破壊)とは?

TDDB(経時的絶縁破壊)とは、ゲート絶縁膜に電界をかけ続けると、ある時間が経過した後に突然絶縁性を失って破壊に至る信頼性劣化現象です。トランジスタの寿命を決める代表的な故障モードで、ゲート絶縁膜の薄膜化が進む先端ノードほど深刻になるため、High-k材料の導入や動作電圧の管理で対策します。

定義・解説

TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown:経時的絶縁破壊)は、ゲート絶縁膜(ゲート酸化膜やHigh-k膜)に電界をかけ続けると、ある時間が経過した後に突然絶縁性を失い破壊に至る信頼性劣化現象です。トランジスタの寿命を決める代表的な故障モードであり、ゲート絶縁膜の薄膜化が進む先端ノードで特に重要になります。

メカニズムは、電界ストレスにより絶縁膜中に欠陥(トラップ)が徐々に生成・蓄積し、それらが一本の導電パス(パーコレーションパス)としてつながった瞬間に破壊が起きる、というモデルで説明されます。破壊にはリーク電流が緩やかに増えるソフトブレークダウンと、急激に絶縁が失われるハードブレークダウンがあります。

微細化で実効酸化膜厚(EOT)が薄くなるほど同じ電圧でも電界が強まり、TDDB寿命の確保が難しくなります。High-k/メタルゲートの導入はEOT低減と信頼性確保を両立する目的もありました。破壊までの時間はばらつくため、ワイブル統計で寿命分布を評価します。

評価は、実使用より高い電圧・温度をかける加速試験で行い、実動作条件での寿命を外挿します。NBTIやホットキャリア注入と並ぶ主要劣化要因で、ゲートスタック(gate-stack)やEOT、信頼性試験装置と密接に関わります。nbtiの項とあわせて読むと、ゲート絶縁膜信頼性の全体像が理解できます。

よくある質問(FAQ)

TDDBはなぜ「経時的」なのですか?
電界が絶縁膜にかかり続けると、膜中に少しずつ欠陥(トラップ)が蓄積していき、それらが繋がって導電経路(パーコレーションパス)を形成した瞬間に破壊が起きるためです。すぐには壊れず、一定時間の経過後に突然壊れるのが特徴です。
TDDBはどうやって評価しますか?
実使用より高い電圧・高温で加速試験を行い、破壊までの時間分布をワイブル分布などで統計処理し、実使用条件へ外挿して寿命を推定します。ゲート面積が大きいほど弱点を含む確率が上がるため、面積依存性も考慮します。
TDDBの対策は何ですか?
SiO₂より物理膜厚を厚くできるHigh-k材料(HfO₂)の導入で電界を緩和すること、動作電圧を下げること、そして成膜プロセスの改善で膜中欠陥を減らすことです。プラズマ工程でのチャージダメージを抑えることも重要です。

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