[논문 리뷰] Exploiting Semiconductor Properties for Hardware Trojans

Yuriy Shiyanovskii, Francis Wolff외 3명|ArXiv.org|2009. 06. 20.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 10인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 제조 공정 중 미세한 공정 변동을 유도하여 반도체 신뢰성 메커니즘—HCI, NBTI, TDDB, EM 등을 악용하는 새로운 유형의 하드웨어 트로이 목을 제안한다. 이러한 변동은 초기 성능에 영향을 주지 않으면서도 장치의 마모를 가속화하여 트로이 목을 표준 테스트로는 탐지할 수 없게 하며, 수십 년에서 수개월 또는 수년로 수명을 단축시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미세한 CMOS 제조 공정의 이질성으로 인해 잠재적인 신뢰성 결함이 유도되어 초기 성능에 영향을 주지 않으면서도 탐지되지 않는 하드웨어 트로이 목이 어떻게 발생할 수 있는지 규명하는 것.
• HCI, NBTI, TDDB, EM 등의 시간 기반 마모 메커니즘을 악용하여 IC의 수명을 악의적으로 단축시키는 데 가능한 벡터로 분석하는 것.
• 이러한 트로이 목이 초기 성능이 정상이므로 후공정 테스트 기간 동안 탐지되지 않는 이유를 설명하는 것.
• 이러한 트로이 목을 가능하게 하는 공정 매개변수(예: 질소 농도, 열처리 조건)의 핵심적 역할을 부각하는 것.
• 고장 발생 이전에 공정 유도 신뢰성 열화를 식별할 수 있는 새로운 탐지 기술의 필요성을 제기하는 것.

제안 방법

• 온도 및 스트레스에 의존하는 매개변수를 포함한 MTTF 방정식을 사용하여 장치 수명을 지수 감쇠 모델로 모델링하는 것.
• MTTF 방정식: $ MTTF_{HCI} = B(I_{sub}) \times N \times \text{exp}(E_a / kT) $ 를 사용하여 공정 조건이 변화한 상황에서의 수명 단축 정도를 정량화하는 것.
• NBTI 및 HCI 마모에 영향을 주는 공정 매개변수(예: 게이트 산화막 두께, SiON 내 질소 농도, 열처리 시간)의 영향을 분석하는 것.
• TCAD를 이용한 공정 변동 시뮬레이션을 통해 제조 단계의 미세한 변화가 특정 마모 메커니즘에 대해 MTTF를 극적으로 감소시킬 수 있음을 입증하는 것.
• ESD, 래치업, 소프트 에러 등의 조건 기반 트리거를 패키징 또는 설계 수정을 통해 악용하여 추가적인 트로이 목 벡터로 탐색하는 것.
• 표 I를 사용하여 핵심 공정 요소를 마모 메커니즘에 매핑하여 수명에 가장 크게 영향을 주는 매개변수를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 제조 공정에서 발생하는 미세하고 명백하지 않은 공정 변동은 초기 성능에 영향을 주지 않으면서도 IC의 가속 마모를 어떻게 유도할 수 있는가?
• RQ2 HCI, NBTI, TDDB, EM 등의 반도체 마모 메커니즘 중에서 공정 조작을 통해 하드웨어 트로이 목로 악용되기 쉬운 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 기존의 후공정 테스트가 이러한 신뢰성 기반 트로이 목을 탐지하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 질소 농도나 열처리 시간과 같은 공정 매개변수가 얼마나 조작될 수 있으며, 이로 인해 장치 수명이 수십만 배 이상 감소할 수 있는가?
• RQ5 ESD, 래치업 등의 조건 기반 트리거는 어떻게 침묵적이고 시간 지연된 하드웨어 트로이 목 활성화를 가능하게 하는가?

주요 결과

• SiON 내 질소 농도 증가 또는 열처리 조건 변경과 같은 미세한 공정 이질성은 NBTI 및 HCI 수명을 크게 감소시킬 수 있으며, MTTF는 수십 년에서 수개월로 감소한다.
• 장치 수명이 스트레스 매개변수에 지수적으로 의존함(예: $ \text{exp}(E_a / kT) $)으로 인해 공정 매개변수의 미세한 변화만으로도 MTTF에 막대한 감소가 발생할 수 있다.
• 시간에 따라 마모되는 메커니즘을 기반으로 한 트로이 목은 초기에는 정상적으로 작동하므로 표준 생산 테스트 기간 동안 탐지되지 않는다.
• 그림 1의 겹침 영역은 공정 변동 이동으로 인해 웨이퍼의 상당 부분이 신뢰성 트로이 목에 감염될 수 있음을 보여주며, 이는 무시할 수 없는 비율을 차지한다.
• 게이트 산화막 두께, 도핑 농도, 열질화 조건과 같은 핵심 공정 매개변수는 수명 감소에 매우 민감하며 악의적으로 악용될 수 있다.
• 향후 연구에서는 TCAD 시뮬레이션을 통해 공정 변동이 장치 수명에 미치는 영향을 검증하고, ESD 및 래치업과 같은 조건 기반 트리거를 트로이 목 벡터로 탐색할 예정이다.