반도체 SER (Soft Error Rate) 의 원인 3가지

Soft Error의 개념과 중요성

먼저, Soft Error가 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다. Soft Error는 반도체 소자에서 물리적인 손상 없이 데이터의 비정상적인 변화가 발생하는 현상입니다. 이로 인해 메모리 셀의 데이터가 변경되거나 프로세서의 계산 결과가 왜곡될 수 있습니다. 이러한 오류는 보통 외부 환경 요인에 의해 발생하며, 반도체 소자의 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

소프트 에러는 외부 환경 요인이나 내부적 요인에 의해 발생할 수 있으며, 일시적이거나 영구적인 데이터 오류를 유발할 수 있습니다. 이러한 오류는 주로 메모리 셀에서의 비트 플립(bit flip) 형태로 나타나며, 이로 인해 0이 1로, 또는 1이 0으로 변할 수 있습니다. 소프트 에러는 일반적으로 하드웨어에 영구적인 손상을 일으키지 않기 때문에, 오류를 수정하거나 재부팅하면 정상적인 상태로 복구될 수 있습니다. 하지만 고신뢰성이 요구되는 시스템에서는 소프트 에러를 최소화하는 것이 매우 중요합니다.

SER(Soft Error Rate)은 이러한 소프트 에러가 발생하는 빈도를 측정하는 지표로, 반도체 소자의 신뢰성을 평가하는 중요한 척도입니다. SER이 높은 소자는 데이터 오류가 자주 발생할 수 있으며, 이는 시스템의 안정성과 성능을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 SER 시험을 통해 반도체 소자의 신뢰성을 평가하고, 필요시 이를 개선하기 위한 설계 및 공정 개선이 이루어집니다.

소프트 에러(Soft Error)의 원인

소프트 에러의 원인은 크게 외부 요인과 내부 요인으로 나눌 수 있습니다. 외부 요인은 주로 자연 방사선이나 우주에서 오는 입자들이 반도체 소자에 미치는 영향을 의미하며, 내부 요인은 소자 자체의 설계나 제조 공정에서 발생할 수 있는 요인을 포함합니다.

1. 자연 방사선에 의한 소프트 에러

가장 중요한 외부 요인 중 하나는 자연 방사선입니다. 반도체 소자는 매우 민감한 구조로 되어 있어, 외부에서 발생하는 방사선 입자가 소자에 충돌할 경우 전하가 생성되어 소프트 에러를 유발할 수 있습니다. 자연 방사선에 의한 소프트 에러는 다음과 같은 주요 원인으로 설명될 수 있습니다.

알파 입자(Alpha Particles)

알파 입자는 헬륨 원자핵으로 구성된 고에너지 입자로, 주로 자연 방사성 물질의 붕괴 과정에서 발생합니다. 반도체 소자 내부에 포함된 미량의 방사성 원소들이 시간이 지나면서 붕괴하여 알파 입자를 방출할 수 있습니다. 이 알파 입자가 메모리 셀이나 로직 회로에 충돌하면, 해당 셀에 저장된 전하가 방출되거나 추가 전하가 생성되어 비트 플립이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 특히 고밀도 메모리 소자에서 자주 발생할 수 있습니다.

고에너지 중성자(High-Energy Neutrons)

고에너지 중성자는 대기 중의 산소나 질소 원자와 상호작용하여 발생하며, 특히 고도에서나 우주 공간에서 그 밀도가 높아집니다. 중성자는 전하를 가지지 않기 때문에 직접적으로 반도체 소자에 영향을 미치지는 않지만, 소자 내의 원자핵과 충돌할 경우 2차 입자를 생성하여 전하를 유도할 수 있습니다. 이로 인해 메모리 셀 내에서 소프트 에러가 발생할 수 있습니다. 특히, 중성자에 의한 소프트 에러는 항공기나 우주선 등 고도에서 운영되는 전자 장치에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있습니다.

우주선(Cosmic Rays)

우주에서 오는 고에너지 입자들, 특히 우주선은 대기권에 진입하면서 다양한 2차 입자를 생성합니다. 이러한 입자들이 반도체 소자에 충돌할 경우 소프트 에러를 유발할 수 있습니다. 우주선에 의한 소프트 에러는 특히 고도에서의 영향이 크며, 지표면에서도 발생할 수 있습니다. 이로 인해 항공기나 위성, 고고도 드론 등에서 사용되는 전자 장치는 이러한 우주선의 영향을 고려한 설계가 필요합니다.

2. 제조 공정 및 설계 요인에 의한 소프트 에러

소프트 에러는 자연 방사선 외에도 반도체 소자의 제조 공정 및 설계에서 발생하는 다양한 요인에 의해 유발될 수 있습니다.

트랜지스터 스케일링(Transistor Scaling)

반도체 기술의 발전과 함께 트랜지스터의 크기는 점점 더 작아지고 있습니다. 이러한 소형화는 반도체 소자의 성능을 향상시키는 데 기여하지만, 동시에 소프트 에러에 대한 민감도를 증가시킬 수 있습니다. 트랜지스터가 작아질수록, 각 셀에 저장된 전하의 양도 감소하게 되며, 이는 외부 입자에 의한 영향이 상대적으로 커지게 만듭니다. 즉, 동일한 충돌 에너지가 더 큰 전하 변화로 이어질 수 있어 소프트 에러의 발생 가능성을 높입니다.

전원 전압의 감소(Lower Supply Voltage)

전력 소비를 줄이기 위해 반도체 소자의 동작 전압은 지속적으로 낮아지고 있습니다. 낮은 전원 전압은 시스템의 전력 효율성을 높이는 데 도움이 되지만, 소프트 에러에 대한 내성을 감소시킬 수 있습니다. 전원 전압이 낮아지면, 메모리 셀에 저장된 데이터의 전하가 감소하게 되어 외부의 방사선 입자나 전자기적 노이즈에 더 쉽게 영향을 받게 됩니다. 이로 인해 소프트 에러의 발생 빈도가 증가할 수 있습니다.

공정 불량 및 결함(Process Defects and Faults)

반도체 소자의 제조 공정 중 발생할 수 있는 미세한 결함이나 불량도 소프트 에러의 원인이 될 수 있습니다. 예를 들어, 공정 중에 미세한 입자나 불순물이 소자 내부에 남아 있을 경우, 이들이 방사선 입자와 상호작용하여 비트 플립을 유발할 수 있습니다. 또한, 공정 불량으로 인해 특정 셀의 구조가 설계와 다르게 형성되면, 해당 셀이 외부 충격에 더 민감하게 반응하여 소프트 에러가 발생할 가능성이 높아질 수 있습니다.

3. 환경적 요인에 의한 소프트 에러

환경적 요인도 소프트 에러의 발생에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이러한 요인들은 외부에서 반도체 소자에 영향을 미치며, 소프트 에러를 유발할 수 있습니다.

전자기 간섭(Electromagnetic Interference, EMI)

전자기 간섭은 주변의 전자기파나 노이즈가 반도체 소자에 영향을 미쳐 소프트 에러를 유발할 수 있는 요인입니다. 특히, 고주파 신호를 사용하는 환경에서는 이러한 전자기 간섭이 심해질 수 있으며, 이로 인해 소자의 신호 라인에 일시적인 전압 변동이 발생하여 데이터를 왜곡시킬 수 있습니다. 이로 인해 메모리나 프로세서에서 비정상적인 동작이 발생할 수 있습니다.

온도 변화(Temperature Variations)

온도 변화는 반도체 소자의 동작에 중요한 영향을 미칩니다. 온도가 지나치게 높아지면 소자의 전기적 특성이 변할 수 있으며, 이로 인해 소프트 에러의 발생 가능성이 높아질 수 있습니다. 반대로, 극저온 환경에서도 반도체 소자의 동작이 불안정해질 수 있습니다. 온도 변화는 특히 산업용 또는 자동차용 반도체 소자에서 중요한 문제로 다루어집니다.

소프트 에러의 예방 및 완화 방법

소프트 에러를 예방하고 그 영향을 최소화하기 위해 다양한 기술과 방법들이 개발되었습니다.

1. 오류 수정 코드(Error Correction Code, ECC)

오류 수정 코드는 메모리 시스템에서 발생할 수 있는 소프트 에러를 감지하고 수정하는 데 사용됩니다. ECC는 추가적인 비트를 통해 오류를 감지하고, 이를 수정할 수 있는 알고리즘을 적용하여 소프트 에러가 발생해도 데이터를 복구할 수 있도록 합니다. ECC는 특히 서버, 데이터 센터, 항공기 등 높은 신뢰성이 요구되는 시스템에서 널리 사용됩니다.

2. Triple Modular Redundancy (TMR)

TMR은 동일한 연산을 세 번 수행하고, 그 결과를 비교하여 오류를 감지하는 방법입니다. 세 개의 연산 결과 중 두 개 이상이 일치하면 해당 결과를 채택하고, 만약 세 결과가 모두 다르면 오류로 간주합니다.

SER 시험 방법의 종류

SER 시험은 주로 알파 입자와 중성자 등 외부 방사선에 의해 발생하는 소프트 에러를 측정하는 방법으로 진행됩니다. 이러한 시험 방법은 크게 두 가지로 구분됩니다: 실험실 환경에서의 인공 방사선 시험과 실사용 환경에서의 필드 시험입니다.

1. 인공 방사선 시험

인공 방사선 시험은 실험실에서 제어된 환경 하에 반도체 소자를 방사선에 노출시켜 소프트 에러 발생 빈도를 측정하는 방법입니다. 이 방법은 빠르고 정확하게 소자의 SER을 측정할 수 있어 일반적으로 널리 사용됩니다.

• 알파 입자 시험(Alpha Particle Test): 알파 입자 시험은 반도체 소자를 인위적으로 알파 입자에 노출시켜 소프트 에러를 유발하는 방식입니다. 알파 입자는 주로 패키지 재료에서 발생할 수 있으며, 메모리 셀이나 로직 회로에서 비트 플립을 일으킬 수 있습니다. 이 시험을 통해 소자가 알파 입자에 얼마나 민감한지 평가할 수 있습니다.
• 중성자 시험(Neutron Test): 중성자 시험은 반도체 소자를 고에너지 중성자에 노출시켜 소프트 에러를 유발하는 방식입니다. 우주에서 오는 고에너지 중성자는 지구 대기권에서도 일정 수준으로 존재하며, 특히 우주 항공기기나 고도에서 사용하는 기기에 영향을 줄 수 있습니다. 중성자 시험을 통해 소자의 SER을 측정하여 중성자에 대한 내성을 평가할 수 있습니다.

2. 필드 시험(Field Testing)

필드 시험은 반도체 소자를 실제 사용 환경에 배치하고 일정 기간 동안 소프트 에러 발생 빈도를 측정하는 방법입니다. 이 시험은 실제 환경에서 소자의 신뢰성을 평가할 수 있지만, 시간과 비용이 많이 들기 때문에 제한적으로 사용됩니다.

데이터 센터 필드 시험(Data Center Field Testing): 데이터 센터와 같은 실제 운영 환경에서 반도체 소자의 SER을 측정하는 방법입니다. 이 시험은 실제 사용 환경에서 발생할 수 있는 다양한 변수(온도, 전력 변동, 전자기 간섭 등)를 고려할 수 있어, 매우 현실적인 데이터를 제공합니다.

고도 필드 시험(High Altitude Field Testing): 고도 필드 시험은 높은 고도에서 반도체 소자를 테스트하는 방법으로, 이 환경에서는 중성자 플럭스가 증가하여 소프트 에러 발생 가능성이 높아집니다. 주로 항공기나 우주 관련 장비에 사용되는 소자를 대상으로 합니다.

SER 시험을 수행할 수 있는 반도체 회사

통상 SER 과 같은 방사선을 다뤄야 하는 민감한 시험들은 Fabless 회사 같이 제조 시설이 없는 환경에서는 시험하기가 어렵습니다. Fabless 회사의 경우 위탁 의뢰를 하여 SER 을 평가하지만, SER 시험이 가능한 위탁업체가 전세계적으로 몇개 없다보니, 쉽게 접근할 수 있는 시험이 아닙니다. 그러나 IDM 의 통합 반도체 회사들은 SER 시험을 자체적으로 실시할 수 있는 능력을 갖고 있으며, 이는 최상급 반도체 신뢰성 확보에 큰 경쟁력이 됩니다.

1. 인텔(Intel Corporation)

인텔은 세계에서 가장 큰 반도체 제조업체 중 하나로, 높은 수준의 신뢰성을 요구하는 다양한 제품을 개발하고 있습니다. 인텔은 자사의 모든 제품에 대해 철저한 SER 시험을 수행하고 있으며, 특히 고성능 프로세서와 서버용 칩셋에서 높은 신뢰성을 요구하는 경우가 많습니다. 인텔은 자체적인 시험 장비와 시설을 갖추고 있으며, 다양한 환경에서의 SER 시험을 수행하여 제품의 내구성을 평가합니다.

2. 삼성전자(Samsung Electronics)

삼성전자는 메모리 반도체 시장에서 글로벌 리더로 자리 잡고 있으며, DRAM, NAND 플래시 메모리 등 다양한 메모리 제품을 생산하고 있습니다. 이러한 제품들은 데이터 저장 및 처리에 중요한 역할을 하기 때문에 높은 신뢰성을 요구합니다. 삼성전자는 SER 시험을 통해 메모리 소자의 소프트 에러 발생 가능성을 평가하고, 이를 최소화하기 위한 기술을 개발하고 있습니다. 특히, 삼성전자의 최신 DRAM과 NAND 제품은 우주 항공 및 자동차 산업에서도 사용될 수 있도록 설계되어 있으며, 이러한 고신뢰성 제품에는 SER 시험이 필수적입니다.

3. TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)

TSMC는 세계 최대의 파운드리(반도체 위탁 생산) 업체로, 다양한 고객을 위해 반도체 칩을 제조하고 있습니다. TSMC는 고객의 요구에 따라 SER 시험을 포함한 다양한 신뢰성 테스트를 수행할 수 있는 능력을 보유하고 있습니다. 특히, TSMC는 최첨단 공정 노드(예: 5nm, 3nm)에서 제조된 반도체 칩의 신뢰성을 보장하기 위해 SER 시험을 철저히 실시합니다. 이러한 테스트는 TSMC가 제조한 칩이 다양한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 합니다.

4. 마이크론 테크놀로지(Micron Technology)

마이크론은 메모리 반도체와 스토리지 솔루션 분야에서 글로벌 리더로, DRAM, NAND 플래시 메모리, SSD 등을 생산하고 있습니다. 마이크론은 고신뢰성을 요구하는 다양한 산업(예: 자동차, 데이터 센터, 군사 및 우주 분야)에 제품을 공급하고 있으며, 이를 위해 SER 시험을 포함한 다양한 신뢰성 시험을 수행하고 있습니다. 마이크론의 SER 시험은 제품이 극한의 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있도록 보장하는 데 중점을 두고 있으며, 이를 통해 마이크론 제품의 경쟁력을 높이고 있습니다.

5. AMD(Advanced Micro Devices)

AMD는 고성능 컴퓨팅, 그래픽 카드, 그리고 서버용 프로세서 분야에서 경쟁력을 갖춘 반도체 기업입니다. AMD는 고성능 연산과 그래픽 처리를 필요로 하는 다양한 응용 분야에 제품을 제공하며, 이들 제품의 신뢰성을 보장하기 위해 SER 시험을 합니다. 특히, AMD의 최신 프로세서와 그래픽 카드 제품은 게임, 가상 현실, 인공지능, 클라우드 컴퓨팅 등 다양한 분야에서 사용되며, 이러한 제품들이 고도의 신뢰성을 유지하기 위해 SER 시험은 필수적입니다. AMD는 자체적으로 SER 시험을 수행할 수 있는 기술력을 보유하고 있으며, 이를 통해 제품의 품질을 높이고 있습니다.

6. 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)

텍사스 인스트루먼츠(TI)는 아날로그 및 임베디드 프로세서 솔루션을 제공하는 글로벌 반도체 기업으로, 특히 자동차, 산업, 통신 등 다양한 분야에서 사용되는 고신뢰성 반도체 제품을 제조합니다. TI는 SER 시험을 통해 자사의 반도체 제품이 다양한 산업 환경에서 안정적으로 동작할 수 있도록 보장합니다. 특히, 자동차와 같이 안전이 중요한 분야에서는 SER 시험을 통한 신뢰성 검증이 매우 중요하며, TI는 이러한 요구를 충족하기 위해 광범위한 신뢰성 테스트를 수행하고 있습니다.

7. 르네사스 일렉트로닉스(Renesas Electronics)

르네사스 일렉트로닉스는 자동차 및 산업용 반도체 솔루션을 제공하는 글로벌 기업으로, 특히 자동차 전자제어 유닛(ECU)과 같은 고신뢰성 제품에 강점을 가지고 있습니다. 르네사스는 SER 시험을 통해 자사의 반도체 제품이 극한의 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있도록 보장합니다. 이는 특히 자동차 분야에서 중요한데, 자동차 전자제어 시스템의 신뢰성은 안전과 직결되기 때문입니다. 르네사스는 자사의 제품이 이러한 높은 신뢰성 기준을 충족하도록 SER 시험을 하고 있습니다.

반도체 Fabless 회사의 미래 전망 3가지