[논문 리뷰] Rapid mapping of digital integrated circuit logic gates via multi-spectral backside imaging

Ronen Adato, Aydan Uyar외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 30.

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 나노스케일 해상도가 필요로 하지 않는, 통합 회로의 논리 게이트를 빠르게 맵핑하기 위해 다중 스펙트럼 뒷면 영상 기법을 제안한다. 이 방법은 각 게이트의 고유한 스펙트럼 반사 특성을 이용하여, 약 90%의 분류 정확도를 달성하며, 직접 영상 촬영 대비 해상도 및 샘플링 요구 사항을 1~4개 정도의 주기 감소시킨다. 이는 신뢰할 수 없는 파운드리에서 저비용, 빠른 하드웨어 신뢰성 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Modern semiconductor integrated circuits are increasingly fabricated at untrusted third party foundries. There now exist myriad security threats of malicious tampering at the hardware level and hence a clear and pressing need for new tools that enable rapid, robust and low-cost validation of circuit layouts. Optical backside imaging offers an attractive platform, but its limited resolution and throughput cannot cope with the nanoscale sizes of modern circuitry and the need to image over a large area. We propose and demonstrate a multi-spectral imaging approach to overcome these obstacles by identifying key circuit elements on the basis of their spectral response. This obviates the need to directly image the nanoscale components that define them, thereby relaxing resolution and spatial sampling requirements by 1 and 2 - 4 orders of magnitude respectively. Our results directly address critical security needs in the integrated circuit supply chain and highlight the potential of spectroscopic techniques to address fundamental resolution obstacles caused by the need to image ever shrinking feature sizes in semiconductor integrated circuits.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 없는 제3자 파운드리에서 제작된 통합 회로의 하드웨어 트로이 목마 증가 위협에 대응한다.
• 나노스케일 특징 해상도와 대면적 처리 속도에 어려움을 겪는 전통적인 광학적 뒷면 영상 기술의 한계를 극복한다.
• 직접 100nm 이하의 특징을 영상 촬영할 필요 없이도 확장 가능하고 저비용인 빠른 IC 레이아웃 검증 방법을 개발한다.
• 각 논리 게이트 유형이 고유한 스펙트럼 서명을 가지므로 이를 통해 악성 변조를 강력하게 탐지할 수 있도록 한다.
• 나노스케일 트랜지스터 및 인터커넥트가 아닌 마이크론 스케일 표준 셀 구조에 집중함으로써 공간 샘플링 및 해상도 요구 사항을 감소시킨다.

제안 방법

• 다양한 파장(1–2.6 µm)과 편광 상태에서 다중 스펙트럼 영상 기법을 사용하여 IC 구조의 반사 스펙트럼을 탐사한다.
• 표준 셀 레이아웃(마이크론 스케일)이 금속, 폴실실리콘, 도핑된 실리콘 층의 차이로 인해 고유한 스펙트럼 반사 특성을 가지므로 이를 활용한다.
• 측정된 스펙트럼 반사도를 특징으로 하여 베이지안 분류 프레임워크를 적용하여 게이트 유형을 식별한다. 이때 독립적인 정규분포 노이즈 모델을 가정한다.
• 검출기 노이즈는 고정된 표준편차 σ로 모델링하고, 검출기의 NEP(노이즈 등가 전력)와 민감도를 사용하여 신호 대 노이즈비(S/N)를 추정한다.
• 광학 시스템 손실(예: 비커, 렌즈, Si 기판 투과율)을 고려하여 충분한 S/N을 확보하기 위한 소스 출력 수준을 추정한다.
• 고정밀도 분류 정확도를 유지하면서도 스펙트럼 측정 수를 최적화하기 위해 게으른 특징 선택 기법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IC 내 표준 셀 유형 간의 스펙트럼 반사 특성 차이를 이용하여 나노스케일 특징을 해상하지 않고도 논리 게이트를 식별할 수 있는가?
• RQ2 직접 나노스케일 영상 촬영에 비해 다중 스펙트럼 영상 기법이 공간 해상도 및 샘플링 속도 요구 사항을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 오직 5개의 스펙트럼 측정만으로도 게이트 분류 정확도는 어느 정도이며, 노이즈는 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 뒷면 영상 설정에서 높은 신호 대 노이즈비를 확보하기 위해 필요한 실용적 광원 출력은 얼마인가?
• RQ5 이 방법은 신뢰할 수 없는 제조 환경에서 하드웨어 트로이 목마를 탐지하기 위해 빠르고 저비용으로 IC 레이아웃을 검증하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 오직 다섯 개의 스펙트럼 측정만으로도 약 90%의 정확도로 논리 게이트 유형을 분류하며, 고해상도 영상 촬영의 필요성을 크게 줄인다.
• 스펙트럼 기반 분류 기법은 직접 나노스케일 특징을 영상 촬영하는 것에 비해 공간 샘플링 요구 사항을 1~4개 주기 감소시킨다.
• 검출기 노이즈 표준편차 σ = 0.05일 때, 노이즈가 σ = 0.03 이하일 경우 분류 정확도가 99%를 초과하여 중간 수준의 노이즈에 대해 강건함을 입증한다.
• 밀리와트 수준의 소스 출력이면 MHz 영상 속도에서 S/N 비율 100을 확보할 수 있으며, 이는 상용 InGaAs 검출기를 사용하는 데 있어 실현 가능하다.
• 이론적 분석 결과, Si 기판 투과율 및 비커 손실을 포함한 현실적인 광학 시스템에서도 신호 전력 요구 사항이 달성 가능하다.
• 정규분포 노이즈 근사 모델을 사용하면 분류 오차를 신뢰성 있게 추정할 수 있으며, 낮은 노이즈 조건(σ < 0.03)에서는 오차율이 1% 이하로 유지된다.