[論文レビュー] Hardware Trojan by Hot Carrier Injection

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

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、追加の論理回路を用いずに、徐々に検出不能なトランジスタ劣化を引き起こすための新規ハードウェアトロイの提案を行う。Hot Carrier Injection (HCI) を利用し、製造プロセスや電圧条件を操作することで（例：DAHC を誘発するための Vd = 2Vg の設定）、攻撃者は HCI 効果を加速させ、特定のトランジスタを時間の経過とともに劣化させることができる。この結果、標準的なテストでは検出できない時限爆弾のような動作を示す。

ABSTRACT

This paper discusses how hot carrier injection (HCI) can be exploited to create a trojan that will cause hardware failures. The trojan is produced not via additional logic circuitry but by controlled scenarios that maximize and accelerate the HCI effect in transistors. These scenarios range from manipulating the manufacturing process to varying the internal voltage distribution. This new type of trojan is difficult to test due to its gradual hardware degradation mechanism. This paper describes the HCI effect, detection techniques and discusses the possibility for maliciously induced HCI trojans.

研究の動機と目的

• Hot Carrier Injection (HCI) が論理回路を追加せずにハードウェアトロイとして悪用可能かどうかを調査すること。
• プロセスのばらつき（製造段階での変化）や動作中の電圧分布の変化によって、悪意あるHCI効果を誘発できるかの妥当性を分析すること。
• 初期機能は正常であり、劣化が段階的であるため、このようなトロイは検出が困難であることを実証すること。
• ICの製造を外部に委託するリスクを強調し、プロセスパラメータの悪意ある操作によって検出不能なハードウェアバックドアが組み込まれる可能性を指摘すること。
• デバイスの故障が発生する前に、HCI 由来のトロイを特定できる新たな検出技術の開発を呼びかけること。

提案手法

• Drain Avalanche Hot Carrier (DAHC) 投入を最大限に活用するため、Vd = 2Vg と設定することで、高電界とキャリアエネルギーを最大化する物理的メカニズム（HCI）を活用する。
• ゲート酸化膜形成段階での窒素濃度、アニール時間、または温度の変更といったプロセスレベルの操作により、トランジスタのHCI耐性を低下させる。
• 電圧ストレス条件（例：CHE では Vd = Vg、SHE では |Vsub| >> 0）を適用し、シリコン–シリカ酸化膜界面にキャリア注入とトラップ形成を加速する。
• 設計段階での電圧操作と製造プロセスの歪みを組み合わせ、特定トランジスタにおける累積的で加速された劣化を生み出す。
• マルチステージのストレス試験プロトコルを採用：低温ストレス（-55°C）、高電圧動作（最大240時間）、常温回復試験、および250°Cのバイアスなしベーキングを実施し、HCI 由来の劣化を検証する。
• HCI 効果に一致する累積的デバイス劣化を検出するため、しきい値電圧のシフトやトランスコンダクタンスの変化といったパラメータのモニタリングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 論理回路を追加せずに、CMOSトランジスタに悪意あるHCIを誘発することは可能か？
• RQ2 特定のプロセスおよび電圧条件が、巧妙なハードウェアトロイを可能にするHCI効果を最大限に引き出すにはどのようなものか？
• RQ3 なぜ標準的なプロセス後テストでは、このようなHCIベースのトロイが特に検出が困難なのか？
• RQ4 プロセスのばらつき（例：窒素層の形成）が、トランジスタのHCI劣化に対する耐性に与える影響は何か？
• RQ5 ソフトウェア技術（例：書き込み頻度の増加）によって、HCI に感染したトランジスタの故障がどの程度加速されるか？

主な発見

• DAHC メカニズム（Vd = 2Vg）は、ドレイン近傍の高電界とインパクトイオン化により、最も破壊的なHCI効果を生じる。
• 電子はSi–SiO2障壁を克服するのに僅か3.3 eVのエネルギーで十分であり、NMOSデバイスはPMOSよりも脆弱（NMOS：3.3 eV、PMOS：4.6 eV）である。
• HCI 由来の劣化はしきい値電圧（Vt）を上昇させ、トランスコンダクタンス（gm）を低下させ、結果としてスイッチング速度の低下と最終的なデバイス故障を引き起こす。
• -55°C での160～240時間のストレス試験に続いて、常温および250°Cのバイアスなしベーキングを実施することで、パラメータの回復または劣化を観察し、HCI 由来の故障を検出可能である。
• 頻繁にスイッチングされる領域（例：6T SRAMセルのパススルートランジスタ）は、ECC保護が施されていないため、劣化の主な標的となる。
• このトロイは時限爆弾の動作を示す：初期段階では正常に機能するが、長時間の動作後にのみ故障が現れ、標準的なテストでは検出されない。