定電圧ストレス（CVS）とは

THEME 07 テスト・信頼性 · テスト・信頼性Constant Voltage Stress

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定電圧ストレス（CVS）とは、ゲート絶縁膜に一定の電圧をかけ続け、流れる電流の変化と絶縁破壊までの時間を測る試験の方法です。 使用条件で壊れるまで待つと10年単位の時間がかかるので、電圧や温度を上げた加速条件で測って使用条件へ外挿します。どの電圧加速モデルで延ばすかで、推定寿命が大きく変わります。

耐圧以下の電圧でも、かけ続ければ絶縁膜は壊れる

TDDB（経時絶縁破壊）は、絶縁耐圧以下の電圧でも、かけ続けることで時間とともに絶縁破壊に至る現象です¹。ある電界をかけてから酸化膜が破壊するまでの時間をTDDB寿命と呼び、絶縁破壊の時間依存性を測る尺度と考えられています。TDDB寿命の測定方法には、定電圧ストレス法と定電流ストレス法があります。

壊れる仕組みは、パーコレーションモデルで説明されています。酸化膜にかかる電圧や膜中を流れる電流で生じた欠陥が時間とともに増え、欠陥どうしの距離が縮まると電子の移動が活発になり、膜の中に電流の通り道ができて絶縁破壊に至ると考えられています。トランジスタの微細化でゲート酸化膜が薄くなり電界が強まったため、TDDBは半導体の重要な不具合要因の一つになっています。

電圧を固定すると、劣化は電流の変化として見える

電圧を固定して電流を見る

定電圧ストレスでは電圧を一定に保つので、劣化は電流の変化として現れます。ソフトブレークダウンは電流の小さな跳ねで、そのあとリーク電流が急に増え、ハードブレークダウンで大きく増えます。

TDDBのストレスのかけ方には、定電圧ストレス（CVS）と定電流ストレス（CCS）があります²。経時絶縁破壊にはソフトブレークダウンとハードブレークダウンの2種類があり、電圧値（CVSでは電流値）の小さな変化をソフトブレークダウンと呼びます。ソフトブレークダウンのあとリーク電流は急に増えますが、オーミックにはなっていません。

電圧をランプ状に上げて耐圧を測るTZDB（タイムゼロ絶縁破壊）と違い、定電圧ストレスは同じ電圧をかけ続けて、破壊までの時間を測ります。破壊までに流れた電荷量QBDも、技術を比べる主要な指標の一つで、imecのGroesenekenは典型的な値を1〜100 C/cm²としています³。

かけ方は、DC・unipolar・bipolarの3通り

ストレスの波形

同じ定電圧ストレスでも、正の電圧をかけ続けるDC、正の電圧と0 Vを交互にかけるunipolar、正と負を交互にかけるbipolarで、絶縁膜が受けるストレスの形が変わります。

筑波大学の藤井泉の博士論文は、High-kゲート絶縁膜の評価で、定電圧ストレスを連続してかけ続けるDCストレスのほかに、正電圧と0 Vを周期的に交互にかけるunipolarストレスと、正電圧と負電圧を交互にかけるbipolarストレスを使っています²。別の測定では、Eox＝8 MV/cmの定電圧ストレスの印加と開放を、4000秒ずつ繰り返しています。

TDDBの測定は反転側のストレス電圧で、定電圧ストレスのもとで行っています。測定に使った素子の面積は10⁻⁷〜10⁻⁸ cm²、測定温度は125℃です。

数時間の加速試験から、10年の使用条件へ外挿する

信頼性試験の加速パラメータは電界、温度、面積です。数時間の試験条件の結果から、劣化の機構に基づく予測曲線を使って、10年の製品使用条件へ外挿します。

OKIエンジニアリングは、ゲート酸化膜の寿命測定の例として、印加電圧3水準と周囲温度3水準の条件でTDDBを測ります。結果をワイブル分布でプロットして平均寿命を計算し、活性化エネルギーを求めて実使用での寿命を算出する手順です。

電圧の加速モデルを替えると、推定寿命が大きく変わる

使用条件への外挿

同じ加速試験の点でも、電圧加速モデルが違えば、使用電圧まで延ばしたときの推定寿命が離れます。試験の電圧が使用電圧から遠いほど、延ばす距離が長くなります。

東芝は、ゲート酸化膜が2nm以下まで薄くなり、TDDB寿命が短くなってデバイスの耐用年数に近づいたため、より正確な寿命予測が必要になったとしています⁴。寿命予測はTEGを使った高電圧・高温度の加速試験で行い、電界と温度の条件ごとに累積故障率と破壊時間の関係をプロットして、実使用条件に外挿します。

試験条件と使用条件のあいだの電圧加速係数は、寿命予測に大きく影響します。絶縁膜の経時破壊は電圧を上げると著しく加速されますが、その加速モデルはいくつか提案されていて、定説は確立されていません。電圧に比例するモデル（Vモデル）と電圧の逆数に比例するモデル（1/Vモデル）では、実使用での推定寿命が大きく違う例があります。東芝はプロセスの世代ごとに電圧加速モデルを確かめています。

ストレスの電圧を上げるほど試験は短くなりますが、使用条件までの外挿の距離が延び、加速モデルの違いが推定寿命に大きく効きます。試験時間を短くするか、使用条件に近い電圧で測って外挿の不確かさを小さくするかは、試験の設計で決めます。

よくある質問（FAQ）

定電圧ストレスとは何ですか？

ゲート絶縁膜に一定の電圧をかけ続け、流れる電流の変化と、絶縁破壊までの時間を測る試験の方法です。TDDB寿命の測定方法の一つです。

定電流ストレスとの違いは何ですか？

定電流ストレス（CCS）は一定の電流を流し続ける方法で、電圧の変化を見ます。定電圧ストレスでは電流の変化を見ます。

ソフトブレークダウンはどう見えますか？

定電圧ストレスでは電流の小さな変化として、定電流ストレスでは電圧の小さな変化として現れます。そのあとリーク電流は急に増えますが、オーミックにはなっていません。

なぜ高い電圧で試験しますか？

使用条件で壊れるまで待つと10年単位の時間がかかるからです。電圧や温度を上げて数時間の試験で壊し、使用条件に外挿します。

外挿で注意することは何ですか？

電圧の加速モデルによって、推定寿命が大きく変わることです。加速モデルはいくつか提案されていますが、定説は確立されていません。

試験の条件はどう決めますか？

OKIエンジニアリングの例では、印加電圧3水準と周囲温度3水準の条件でTDDBを測り、ワイブルプロットで平均寿命を求め、活性化エネルギーから実使用での寿命を計算します。

比較・違いを学ぶ

TZDB（タイムゼロ絶縁破壊）とは── 電圧を上げながら耐圧を測る方法
TDDB（経時絶縁破壊）とは── 定電圧ストレスで測る現象
加速係数とは── 試験条件と使用条件の寿命の比

出典

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