[论文解读] 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 12

一句话总结

本文提出了一类新型硬件后门，通过在CMOS制造过程中有意引入微小的工艺偏差，利用半导体可靠性机制（如HCI、NBTI、TDDB和EM）来实现攻击。这些偏差会加速器件老化，但不影响初始性能，导致后门在标准测试中无法被检测到，器件寿命从数十年缩短至数月或数年。

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.

研究动机与目标

• 识别CMOS制造过程中微小偏差如何引发潜在的可靠性缺陷，从而作为难以检测的硬件后门。
• 分析基于时间的磨损机制（HCI、NBTI、TDDB、EM）作为恶意缩短集成电路寿命的潜在攻击向量。
• 证明此类后门在后道生产测试中保持不可检测，原因在于其初始性能正常。
• 强调工艺参数（如氮浓度、热处理）在实现此类后门中的关键作用。
• 呼吁开发新型检测技术，以在失效前识别由工艺引起的可靠性退化。

提出的方法

• 使用指数退化模型对器件寿命进行建模，特别是包含温度和应力依赖参数的MTTF方程。
• 使用MTTF方程：$ MTTF_{HCI} = B(I_{sub}) imes N imes \text{exp}(E_a / kT) $，量化在工艺条件改变下的寿命缩短程度。
• 分析栅氧化层厚度、SiON中氮浓度以及热处理时长等工艺参数对NBTI和HCI退化的影响。
• 在TCAD中模拟工艺偏差，证明制造步骤中微小变化可显著降低特定磨损机制的MTTF。
• 研究基于条件的触发机制（如ESD、闩锁、软错误）作为额外的后门攻击向量，通过封装或设计修改实现。
• 使用表I将关键工艺因素映射到退化机制，识别出对器件寿命影响最大的参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用CMOS制造过程中微小且不明显的工艺偏差，在不改变初始性能的前提下，加速集成电路的老化？
• RQ2 哪些半导体退化机制（HCI、NBTI、TDDB、EM）最易于通过工艺操控被利用为硬件后门？
• RQ3 为何传统后道制造测试无法检测此类基于可靠性的后门？
• RQ4 工艺参数（如氮浓度或热处理时长）可被操纵到何种程度，使器件寿命缩短数个数量级？
• RQ5 基于条件的触发机制（如ESD、闩锁）在实现隐蔽的、延迟激活的硬件后门中发挥何种作用？

主要发现

• 微小的工艺偏差（如SiON中氮浓度增加或热处理条件改变）可显著缩短NBTI和HCI的寿命，MTTF从数十年缩短至数月。
• 器件寿命对应力参数的指数依赖性（如$ \text{exp}(E_a / kT) $）意味着工艺参数的微小变化即可导致MTTF的大幅降低。
• 基于时间依赖性磨损机制的后门在标准生产测试中不可检测，因为器件在初始阶段仍能正常工作，尽管其寿命已被显著缩短。
• 图1中的重叠区域表明，由于工艺偏差的偏移，晶圆上相当比例的器件可能被可靠性后门感染。
• 关键工艺参数（如栅氧化层厚度、掺杂浓度以及热氮化条件）对寿命退化极为敏感，可被恶意利用。
• 未来工作将使用TCAD仿真验证工艺偏差对器件寿命的影响，并探索ESD和闩锁等基于条件的触发机制作为后门向量。