4.3.add : ゲート酸化膜の信頼性評価 ( TZDB / Qbd / TDDB)
4.3.add : Gate Oxide Reliability (TZDB / Qbd / TDDB)
MOSトランジスタの信頼性には、動作時の劣化（BTI/HCI）だけでなく、
ゲート酸化膜そのものの絶縁破壊・寿命限界の評価も不可欠です。
本節では、3つの代表的な酸化膜評価手法（TZDB / Qbd / TDDB）を整理します。
In addition to BTI/HCI degradation, it is essential to evaluate the dielectric breakdown and lifespan of the gate oxide itself.
This section introduces three key methods: TZDB, Qbd, and TDDB.
🕒 4.3.add.1｜TZDB：Time-Zero Dielectric Breakdown
| 🇯🇵 日本語 | 🇺🇸 English |
|---|---|
| 製造起因の欠陥による初期破壊電圧を評価する手法。 電圧を上昇させながらゲート膜をストレスし、即時の破壊点を検出する。 |
Method to evaluate initial breakdown voltage due to manufacturing defects. Apply ramped voltage and detect breakdown point. |
- 測定｜Measurement：電圧を一定速度で上昇 → 破壊電圧を記録
- 分布｜Distribution：破壊電圧のCDF（累積分布）を作成
- 解釈｜Interpretation：低電圧側への偏り → 初期欠陥（Aモード）の可能性
🔋 4.3.add.2｜Qbd：Charge to Breakdown
| 🇯🇵 日本語 | 🇺🇸 English |
|---|---|
| ゲート膜が破壊されるまでに蓄積できる電荷量（C/cm²）を測定。 膜の総合的な耐久性を評価する指標。 |
Measures the total charge the oxide can hold until breakdown. Useful for assessing overall durability. |
- 測定｜Measurement：一定電流密度で印加 → 積算電荷を取得
- 分布｜Distribution：Qbd値のCDFでロットごとの比較
- 解釈｜Interpretation：中央値が高いほど膜のマージンが大きい
⏳ 4.3.add.3｜TDDB：Time Dependent Dielectric Breakdown
| 🇯🇵 日本語 | 🇺🇸 English |
|---|---|
| ゲート膜に一定電圧を印加し続けて破壊までの時間（寿命）を測定。 動作時の電界ストレスによる時間依存の信頼性評価。 |
Applies constant voltage to measure time until breakdown. Used for time-dependent reliability assessment under electrical stress. |
- 測定｜Measurement：定電圧印加 → 破壊までの時間を計測
- 分布｜Distribution：寿命のCDF → ワイブル分布などでモデル化
- 解釈｜Interpretation：高電圧条件から実使用条件への寿命外挿が可能
📉 4.3.add.4｜CDFと故障モード分類｜Failure Modes via CDF
CDF（累積分布関数）は、信頼性評価で最も多用される統計的可視化手法です。
故障発生のパターンは、以下の3つに分類されます：
| モード | 原因 | 出現率 | 工学的意味 | Mode | Cause | Occurrence | Engineering Meaning |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 初期欠陥 | 10%以下 | 製造起因の局所欠陥 | A | Early Defects | <10% | Process-induced flaws |
| B | 偶発破壊 | 10〜80% | 正常膜のランダム劣化 | B | Random Failure | 10–80% | Natural variation |
| C | 真性寿命 | 80%以上 | 酸化膜の限界寿命 | C | Wear-out | >80% | Lifetime limit |
📌 この3モードを区別することで、設計保証のマージンと目標寿命の設定が可能になります。
🧠 工学的まとめ｜Engineering Summary
| 観点 | 内容（日本語） | Description (English) |
|---|---|---|
| 🎓 PDKとの関係 | TZDB/Qbd/TDDBは、PDKに記載された最大電圧（Max V）や寿命保証値の根拠 | These methods underlie the Max V and lifetime specs in the PDK |
| 📊 CDFの役割 | 不良分布・信頼性モードを可視化する重要ツール | CDF is a key tool to visualize distribution and failure types |
| 📐 設計への応用 | 絶縁膜の限界設計電圧や使用時間の統計的見積りに活用 | Used to estimate voltage limits and usable life span in design |
💬 ChatGPT 活用プロンプト例｜Prompt Example
TDDBデータで20%以下に破壊が集中。これはAモード由来の異常か？設計保証に影響するか？
The TDDB failures are concentrated below 20%. Could this indicate Mode A defects? Does it impact design qualification?
🔗 関連節リンク｜Related Sections
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👉 4.2 MOSの電気特性｜MOS Electrical Characteristics
└ Vthやgm、SSなど、基本特性を設計視点で理解 -
👉 4.4 デザインルールと寸法規則｜Design Rules and Dimensions
└ 酸化膜厚・最小寸法との関係を通じて設計ルールの意味を学ぶ -
👉 6.3 D値による歩留まりと欠陥管理｜D-Value Based Defect Control
└ D値・欠陥密度の統計処理と、歩留まりへの影響を理解
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