[論文レビュー] Exploiting Semiconductor Properties for Hardware Trojans

Yuriy Shiyanovskii, Francis Wolff+3 more|ArXiv.org|Jun 20, 2009

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 10被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、CMOSプロセスにおける意図的な微小なプロセス変動を引き起こすことによって、HCI、NBTI、TDDB、EMといった半導体信頼性メカニズムを悪用する、新たなハードウェアトロイのクラスを提案する。これらの変動は初期性能に影響を与えないが、デバイスの摩耗を加速させ、標準的なテストでは検出できない。結果として、寿命は数十年から数か月または数年にまで短縮される。

ABSTRACT

This paper discusses the possible introduction of hidden reliability defects during CMOS foundry fabrication processes that may lead to accelerated wearout of the devices. These hidden defects or hardware Trojans can be created by deviation from foundry design rules and processing parameters. The Trojans are produced by exploiting time-based wearing mechanisms (HCI, NBTI, TDDB and EM) and/or condition-based triggers (ESD, Latchup and Softerror). This class of latent damage is difficult to test due to its gradual degradation nature. The paper describes life-time expectancy results for various Trojan induced scenarios. Semiconductor properties, processing and design parameters critical for device reliability and Trojan creation are discussed.

研究の動機と目的

• 微小なCMOSプロセスのずれが、初期性能に影響を与えずに潜在的な信頼性欠陥を引き起こし、検出不能なハードウェアトロイとして機能する仕組みを特定すること。
• HCI、NBTI、TDDB、EMといった時間依存摩耗メカニズムを、ICの悪意ある寿命短縮の手段として分析すること。
• このようなトロイが、正常な初期性能を示すため、量産後テストでは検出できないことを実証すること。
• プロセスパラメータ（例：窒素濃度、熱処理）がこれらのトロイを可能にする重要な役割を強調すること。
• 故障発生前にプロセス由来の信頼性劣化を特定できる、新たな検出技術の開発を提言すること。

提案手法

• 温度および応力依存パラメータを組み込んだ指数的劣化モデルを用いてデバイス寿命をモデリングし、特にMTTF方程式を用いる。
• MTTF方程式：$ MTTF_{HCI} = B(I_{sub}) \times N \times \text{exp}(E_a / kT) $ を用い、プロセス条件の変更による寿命短縮を定量的に評価する。
• ゲート酸化膜厚、SiON中の窒素濃度、熱処理時間などのプロセスパラメータがNBTIおよびHCI劣化に与える影響を分析する。
• TCADを用いたプロセス変動のシミュレーションにより、製造工程における微小な変更が特定の摩耗メカニズムのMTTFを著しく短縮することを示す。
• ESD、ラッチアップ、ソフトエラーなどの条件下で発火するトリガーを、パッケージングや設計変更を通じて、追加のトロイのベクトルとして調査する。
• 表Iを用いて、重要なプロセス要因と劣化メカニズムをマッピングし、デバイス寿命に最も顕著に影響を与えるパラメータを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOSプロセスにおける微小で顕著でないプロセス変動を、初期性能を変化させずにICの加速摩耗を引き起こすためにどのように利用できるか？
• RQ2 HCI、NBTI、TDDB、EMといった半導体劣化メカニズムのうち、プロセス操作によって悪用可能なものはどれか？
• RQ3 なぜ従来の量産後テストでは、これらの信頼性ベースのトロイを検出できないのか？
• RQ4 窒素濃度や熱処理時間といったプロセスパラメータをどれほど操作すれば、デバイス寿命を数個のオーダー短縮できるのか？
• RQ5 ESD、ラッチアップなどの条件下で発火するトリガーは、静かで遅延のあるハードウェアトロイの活性化をどのように可能にするのか？

主な発見

• SiON中の窒素濃度の増加や熱処理の変更といった微小なプロセスのずれは、NBTIおよびHCIの寿命を顕著に短縮し、MTTFを数十年から数か月にまで短縮する。
• ストレスパラメータ（例：$ \text{exp}(E_a / kT) $）に強い指数的依存性があるため、プロセスパラメータのわずかな変更でもMTTFが著しく低下する。
• 時間依存摩耗メカニズムに基づくトロイは、初期に正常に動作するため、標準的な量産テストでは検出できない。
• 図1の重複領域は、プロセス変動のシフトによってウェーハ上の非無視可能な割合のデバイスが信頼性トロイに感染している可能性を示している。
• ゲート酸化膜厚、ドーパント濃度、熱窒化条件といった重要なプロセスパラメータは、寿命劣化に対して非常に感受性が高く、悪意ある目的で利用可能である。
• 今後の研究では、TCADシミュレーションを用いてプロセス変動がデバイス寿命に与える影響を検証し、ESDやラッチアップといった条件下で発火するトリガーを、トロイのベクトルとして探求する。