Fehler durch kosmische Strahlung
Soft-Errors in Halbleiterspeichern verstehen und ihre Folgen mildern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Ein Soft-Error ist ein Zustandswechsel
Ein Soft-Error ist ein Zustandswechsel, der durch energetische Teilchen ausgelöst wird. Im Gegensatz zu einem Hard-Error lässt sich die normale Funktion des betroffenen Geräts jedoch durch einfaches Überschreiben oder einen Reset wiederherstellen. Soft-Errors können in digitalen und analogen Schaltungen, auf Übertragungsleitungen und in magnetischen Speichern auftreten. Wenn ein hochenergetisches Teilchen auf den Halbleiter einwirkt, erzeugt es viele Elektron-Loch-Paare. Das dadurch entstehende elektrische Feld in der Verarmungszone führt zu einer Ladungsdrift, die den Strom beeinflusst. Wenn die Ladungsverschiebung größer als die in der Speicherzelle gehaltene kritische Ladung wird, kann sich der gespeicherte Dateninhalt umkehren, was beim nächsten Lesen zu einem Fehler führt. Soft-Errors treten, je nach Energie des verursachenden Partikels, als Störung einzelner Bits (Single-Bit Upset, SBU) oder mehrerer Bits (Multi-Bit Upset, MBU) auf. Bei einem SBU wechselt nur ein Bit durch ein energetisches Teilchen seinen Zustand, während bei einem MBU mehrere Bits eines Worts durch ein Teilchen mit hohem Energiegehalt verfälscht werden.
Die Rate der gemessenen Soft-Errors – die sog. Soft-Error-Rate (SER) – bestimmt die Wahrscheinlichkeit einer Funktionsstörung durch energetische Teilchen. Da Soft-Errors zufällig auftreten, definieren Soft-Errors nicht die Zuverlässigkeit, sondern die Ausfallrate des Speichers.
Alphateilchen werden von radioaktiven Kernen in einem Prozess emittiert, den man als Alphazerfall bezeichnet. Alphateilchen haben eine kinetische Energie von einigen MeV und sind die direkte Ursache von Soft-Errors in Halbleiterspeichern. Sie haben eine hohe Ladungsdichte und erzeugen beim Durchgang durch das Substrat Elektron-Loch-Paare. Wenn die Störung stark genug ist, ändert ein Bit seinen Zustand. Dieser Vorgang dauert nur Bruchteile einer Nanosekunde und ist daher nur sehr schwierig zu erkennen.
Alphateilchen mit niedriger Energie entstehen dann, wenn Spuren von Uran-238 und Thorium-232, die in den Werkstoffen der Formen, Bauteilegehäuse und anderen Bestandteile der Konstruktion auftreten können, radioaktiv zerfallen. Eine ideale Reinheit des Materials (unter 0,001 Counts pro Stunde pro cm2), die für eine zuverlässige Funktion der meisten Schaltungen erforderlich wäre, ist nahezu unmöglich aufrechtzuerhalten. Geringe Mengen an Epoxy können die Anzahl der Soft-Errors reduzieren, indem Sie den Chip von der Alphastrahlung abschirmen.
Die Hersteller können zwar Verunreinigungen, die Alphateilchen aussenden, unter Kontrolle bringen, aber gegen die kosmische Strahlung sind sie machtlos. Tatsächlich ist die kosmische Strahlung bei modernen Halbleitern die wahrscheinlichste Ursache von Soft-Errors, da man radioaktive Verunreinigungen weitgehend unter Kontrolle gebracht hat. Die primären Teilchen der kosmischen Strahlung erreichen die Oberfläche der Erde gewöhnlich nicht. Sie verursachen jedoch einen Strom energetischer Sekundärteilchen, hauptsächlich energiereiche Neutronen. Neutronen haben zwar keine Ladung und können daher keine Soft-Errors verursachen; sie können jedoch von einem Atomkern in einem Chip eingefangen werden, wobei Alphateilchen entstehen können.
Die kosmische Strahlung nimmt in größerer Höhe zu, weil die abschirmende Wirkung der Atmosphäre dort geringer ist. Zusätzlich sind Module in der Nähe der Pole aus demselben Grund sehr anfällig für Soft-Errors. Um die Wahrscheinlichkeit von Soft-Errors zu verringern, werden Module, die in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Exponierung besonders hoch ist, einem speziellen Prozess unterzogen, den man als Strahlungshärtung bezeichnet.
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