[논문 리뷰] Hardware Trojan by Hot Carrier Injection

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

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 추가 논리 회로 없이도 점진적이고 탐지되지 않는 소자 열화를 유도하기 위해 핫 커페어 인젝션(HCI)을 악용하는 새로운 하드웨어 트로이 목마를 제안한다. 제조 공정 또는 전압 조건을 조작함으로써(예: DAHC를 유도하기 위해 Vd = 2Vg로 설정), 공격자는 HCI 효과를 가속화하여 특정 소자를 시간이 지남에 따라 고장나게 할 수 있다. 이는 표준 테스트를 회피하는 시간폭탄처럼 작용한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 핫 커페어 인젝션(HCI)을 추가 논리 회로 없이 하드웨어 트로이 목마로 악용할 수 있는지 조사하기.
• 제조 공정 중의 공정 변동성 또는 작동 중 전압 분포 변화를 통해 악성 HCI 효과를 유도할 수 있는지 가능성 분석하기.
• 이러한 트로이 목마가 점진적 열화와 초기 정상 기능으로 인해 표준 후공정 테스트로는 탐지하기 어려운 이유를 설명하기.
• IC 제조 외주 시스템에서 공정 매개변수의 악성 조작이 탐지되지 않는 하드웨어 백도어를 유도할 수 있는 위험을 부각하기.
• 장치 고장 이전에 HCI 유도 트로이 목마를 식별할 수 있는 새로운 탐지 기법의 필요성을 촉구하기.

제안 방법

• HCI의 물리적 메커니즘, 특히 드레인 압력 핫 커페어(다핵) 인젝션을 활용하여 Vd = 2Vg로 설정함으로써 전기장과 캐리어 에너지를 최대화한다.
• 게이트 산화막 형성 중 질산염 농도, 소성 시간 또는 온도를 조작함으로써 소자 내 HCI 내성 저하를 유도하는 공정 수준의 조작을 수행한다.
• 전압 스트레스 조건(예: CHE의 경우 Vd = Vg, SHE의 경우 |Vsub| >> 0)을 적용하여 실리콘–실리카 산화막 인터페이스에서 캐리어 인젝션과 트랩 형성을 가속화한다.
• 설계 수준의 전압 조작과 제조 공정 왜곡을 조합하여 타겟 소자에서 누적적이고 가속화된 열화를 유도한다.
• 다단계 스트레스 테스트 프로토콜을 활용: 저온 스트레스(-55°C), 고전압 작동(최대 240시간), 실온 복구 테스트, 250°C 비가동 베이크를 실시하여 HCI 유도 열화를 검증한다.
• HCI 효과에 부합하는 누적 장치 마모를 탐지하기 위해 임계 전압 이동, 전도도 변화 등의 파rameter 모니터링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가 논리 회로 없이도 CMOS 소자에서 HCI를 악성으로 유도할 수 있는가?
• RQ2 특정 공정 및 전압 조건이 HCI 효과를 극대화하여 스텔스 하드웨어 트로이 목마를 가능하게 하는가?
• RQ3 왜 이러한 HCI 기반 트로이 목마는 표준 후공정 테스트로는 특히 탐지하기 어려운가?
• RQ4 공정 공정 변동성(예: 질산염 층 형성)이 소자 내 HCI 유도 열화에 대한 내성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 예를 들어 쓰기 빈도를 증가시키는 소프트웨어 기법이 HCI 감염 소자에서 고장을 가속화하는 데 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• Vd = 2Vg 조건에서 발생하는 DAHC 메커니즘은 높은 전기장과 드레인 근처의 영향 이온화로 인해 가장 파괴적인 HCI 효과를 유도한다.
• 전자들은 Si–SiO2 장벽을 넘기 위해 단지 3.3 eV의 에너력으로 충분하며, 이는 NMOS 소자가 PMOS 소자보다 더 취약함을 의미한다(4.6 eV 필요).
• HCI 유도 열화로 인해 임계 전압(Vt)이 증가하고 전도도(gm)가 감소하여 스위칭 속도 저하가 발생하며 결국 소자 고장으로 이어진다.
• -55°C에서 160~240시간 동안의 스트레스 테스트 후 실온 및 250°C 비가동 베이크를 실시하면 파rameter 복구 또는 열화를 통해 HCI 유도 고장을 탐지할 수 있다.
• 자주 스위칭되는 고장 위험이 높은 영역, 예를 들어 6T SRAM 셀의 패ass-through 트랜지스터는 ECC 보호 기능이 없어 주요 타겟이 된다.
• 트로이 목마는 시간폭탄 행동을 보이며, 초기 기능은 정상적이지만 장기간 작동 후에야 고장이 발생하여 표준 테스트에서 탐지되지 않는다.