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トラップ支援トンネルとは

THEME 07 テスト・信頼性 · 劣化と余裕Trap-Assisted Tunneling
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トラップ支援トンネルとは、絶縁膜の中にあるトラップを経由して、電子が何段かに分けて膜を抜ける経路のことです。 1回に越える距離が短くなるので、厚い膜でも電流が流れます。直接トンネル電流は膜を厚くすれば減りますが、膜の中に欠陥があると、電子はそこを経由して抜けます。ゲート絶縁膜の寿命は、トラップのできにくい膜を作れるかで決まります。

トラップを踏み台にすると、1回に越える距離が短くなる

Section titled “トラップを踏み台にすると、1回に越える距離が短くなる”
2つのトンネル経路
直接トンネルトラップ支援トンネル基板薄い膜ゲート基板厚い膜ゲートトラップ電子
直接トンネルは障壁を一度で抜けるので、膜が厚いと通れません。トラップがあると電子は障壁を短い区間に分けて抜け、厚い膜でも電流が流れます。

直接トンネルでは、電子は絶縁膜の障壁を一度で抜けます。抜けられる確率は膜の厚みに対して急激に落ちるので、膜を少し厚くするだけで止まります。膜の中にトラップがあると、電子はまずトラップまで抜けて一度捕まり、次に反対側へ抜けます。1回に越える距離が半分になれば、トンネル確率は大きく上がります。

トラップが増えると、ホッピングやトンネルでトラップを介した電流が流れます1。トラップの数が電流の大きさを左右します。

ストレスで増えたトラップの電流がSILCで、つながると破壊に至る

Section titled “ストレスで増えたトラップの電流がSILCで、つながると破壊に至る”
トラップが増える順
新品ストレス後つながった後ゲート電極Si基板SILCが流れる大電流で破壊トラップが少ない
ストレスを重ねるとトラップが増え、トラップを介した電流がSILCとして流れます。トラップがゲート電極から基板までつながると、大電流が流れて破壊に至ります。

この電流はSILC（Stress Induced Leakage Current）として観測されます1。ストレスを加えた後に増えるリーク電流という意味の名前です。同じ電圧をかけても、ストレスを重ねた膜ほど多くの電流が流れ、電流の増分が膜の中にできたトラップの量を表します。

トラップがさらに増えてゲート電極から Si 基板までつながると、大電流が流れて破壊に至ります。SILC は破壊の前兆です。

寿命は、トラップのできにくい酸化膜を作れるかで決まる

Section titled “寿命は、トラップのできにくい酸化膜を作れるかで決まる”

TDDB 現象は、酸化膜中に形成されるトラップ準位、すなわち欠陥と関係しています1。ルネサス エレクトロニクスは、加速試験でプロセスの酸化膜質を十分に見極めて製品を設計する必要があり、欠陥が発生しにくい SiO2 膜にすることが大切で、そのための酸化膜の形成方法が重要だとしています。

トラップができにくい膜なら、同じ電界でも SILC が増え始めるのが遅くなります。膜の作り方が、そのまま寿命に影響します。

膜を厚くしてもhigh-kにしても、トラップ経由の電流は残る

Section titled “膜を厚くしてもhigh-kにしても、トラップ経由の電流は残る”
膜厚と2つの電流
リーク電流（対数）膜厚直接トンネルトラップ経由厚い膜
膜を厚くすると直接トンネルは急激に減りますが、トラップが増えれば、トラップ経由の電流は厚い側にも残ります。

膜を厚くすれば直接トンネルは急激に減りますが、ゲートの制御力が落ち、トラップが増えればトラップ経由の電流は残ります。high-k 材料で物理的な厚みを保てば直接トンネルを抑えられる一方、膜中の電子トラップが増えます。

ストレス試験の電界を強めれば短時間で SILC を観測できますが、実使用より速い順序で欠陥を作るので、外挿が妥当であることを別に示す必要があります。

同じリークが、待機電力の成分にもなる

Section titled “同じリークが、待機電力の成分にもなる”

かつて SRAM で主なリーク成分はサブスレッショルドリーク電流で、これは主に Vth で決まりました。現在は GIDL・ゲートトンネルリーク・ジャンクションリークの割合が増えたので2、Vth の調整による低スタンバイ電流化はできなくなりました。絶縁膜を抜ける電流は、信頼性の話であると同時に消費電力の話でもあり、同じ現象が寿命と待機電力の両方に載ってきます。

よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
トラップ支援トンネルとは何ですか？

絶縁膜の中にあるトラップを経由して、電子が何段かに分けて膜を抜ける経路のことです。

直接トンネルとどう違いますか？

直接トンネルは障壁を一度で抜けますが、トラップを経由すると1回に越える距離が短くなります。経由できるトラップが多いほど、電流は流れやすくなります。

なぜ厚い膜でも流れるのですか？

一度に越える距離が短くなるからです。踏み台の数だけ、抜けやすさが上がります。

どう観測されますか？

トラップを介した電流は、SILC（Stress Induced Leakage Current）として観測されます。ストレスを重ねた膜ほど、同じ電圧で多くの電流が流れます。

ホッピングとは違いますか？

トラップを介した電流は、ホッピングあるいはトンネルにより流れ、両者は並べて扱われます。

増え続けるとどうなりますか？

トラップが増えてゲート電極から Si 基板までつながると、大電流が流れて破壊に至ります。

信頼性以外でも問題になりますか？

なります。SRAMではゲートトンネルリークがスタンバイ電流の成分として増え、Vthの調整だけでは低スタンバイ電流化ができなくなりました。

比較・違いを学ぶ

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