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。