2nm・GAA・多層配線・AIチップ時代では、
性能よりも信頼性が設計制約の中心になると言われている。

 

理由は：

　・微細化で膜厚・配線幅が極薄化

　・電流密度・電界強度が急上昇

　・材料の限界が近づいている

　・高温環境（AIチップ内温度100℃超）での動作

　・車載・産業用途の需要増

特に「故障しない」「パラメータ変動が小さい」ことが、
最終製品メーカー（EV/データセンター/自動運転）の必須要件。

●（1）TDDB（Time-Dependent Dielectric Breakdown）

絶縁膜（SiO₂/High-k）が、
時間をかけて徐々に劣化し、絶縁破壊に至る現象。

特徴：

　・電界が高いほど加速

　・High-k採用で重要性が増した

　・ゲート酸化膜が薄い先端ノードほど深刻

　・ゆっくり劣化 → 最後に急激破壊

特にGAAのような「ゲート密閉構造」では要注意。

 

●（2）BTI（Bias Temperature Instability）

ゲートに電圧をかけ続けると、しきい値電圧（Vth）が変動する現象。

種類：

　・NBTI：pMOSで多い

　・PBTI：nMOSで発生

現象：

　・長時間ストレス → Vthシフト

　・回路の遅延増加

　・AIチップの高速動作では致命的

要因：

　・High-k膜の欠陥

　・トラップ捕獲・脱離

BTIは「2nm時代の最大の敵」のひとつ。

 

●（3）HCI（Hot Carrier Injection）

チャネル中の高エネルギー電子が、
ゲート絶縁膜にダメージを与えて劣化させる現象。

特徴：

　・高電圧・高速スイッチングで増加

　・RF・AI用途で深刻

　・トランジスタのgm低下・Vthシフト

GAAでも引き続き重要。

 

●（4）EM（Electromigration）

金属配線を流れる巨大な電流によって金属原子が移動し、
断線・空洞化（void）・ヒロック（hillock） が発生する現象。

特にAIチップでは：

　・電流密度が非常に高い

　・配線幅が極細

　・温度上昇が大きい

→ EMの影響が大きく、配線材料が限界に近づいている。

配線材料は Cu → Co / Ru へシフト中。

 

●（5）車載向け特有の信頼性要求（AEC-Q100）

車載は過酷な条件で動作するため要求が別次元。

例：

　・-40℃〜150℃温度サイクル

　・高湿度環境

　・高電流・ノイズ

　・長寿命（10〜15年）

そのため、

　・パワーデバイス（SiC）

　・ADASチップ

　・安全性チップ

では信頼性試験が極めて重い。

● TDDB試験

絶縁膜が破壊するまで高電圧を印加して測定。

● BTI試験

温度と電圧ストレス下でVth変動を評価。

● EM試験

高温・大電流で配線の断線までの時間を測定。

● HTOL（High Temperature Operating Life）

高温での連続稼働試験。

● TCT（Temperature Cycling Test）

温度変化による劣化を評価。

これらは信頼性工学を体系的に理解する必要がある。

●（1）材料の最適化

　・High-k膜の欠陥低減

　・金属ゲートのWork-function調整

　・Co/Ru配線の採用

　・ULK材料のダメージ低減

 

●（2）プロセス制御

　・成膜・エッチングのダメージ低減

　・アニール条件改善

　・酸素・水分の低減

 

●（3）デバイス設計最適化

　・電界分散構造

　・ゲート形状改善

　・EM耐性配線レイアウト

　・過度な応力集中の排除

 

●（4）回路レベル対策

　・適切なマージン設計

　・誤差吸収のデジタル補正

　・高温補償

AIチップ → 高熱 × 高電流 × 長時間動作 → EM/TDDB/BTIが増加
車載チップ → 温度サイクル × 長寿命 → 材料疲労・界面劣化

 

現在は、
性能より信頼性 を優先する設計思想が再び強くなっている。

微細化が進むほど、信頼性は本質的課題になる。

● 材料の基礎物性を再定義（ULK、High-k、金属材料の刷新）

● 機械学習による劣化予測>

● DFM × 信頼性の統合解析

● Backside Power DeliveryによるEM根絶への挑戦

● 3D stackedデバイスの熱・応力モデル強化

 

特に、AI × 信頼性解析 はすでに量産導入が始まっており、プロセス制御の要となりつつある。

　・信頼性は2nm以降の中心課題

　・TDDB / BTI / HCI / EM など複数の劣化機構が存在

　・High-kや極細配線で問題が顕著化

　・AIチップは熱 × 電流で信頼性負荷が最大

　・車載は温度・寿命要件が別次元

　・材料 × プロセス × 設計 × 回路の総合最適化が必須

１．なぜ微細化すると信頼性問題が増えるのか？

２．BTIがAIチップで重要になる理由を説明せよ。

３．EM（エレクトロマイグレーション）が起きるメカニズムは？

 

 

 

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。