[论文解读] Rapid mapping of digital integrated circuit logic gates via multi-spectral backside imaging

Ronen Adato, Aydan Uyar+5 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2016

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis参考文献 23被引用 6

一句话总结

本文提出一种多光谱背面成像技术，通过利用集成电路中逻辑门的特异性光谱响应，快速映射其布局，无需纳米级分辨率。该方法仅通过五次光谱测量即实现约90%的分类准确率，相比直接成像，将分辨率和采样需求降低了1至4个数量级，从而在不可信代工厂环境中实现快速、低成本的硬件可信度验证。

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.

研究动机与目标

• 应对在不可信第三方代工厂制造的集成电路中日益严重的硬件后门威胁。
• 克服传统光学背面成像技术在纳米级特征分辨率和大面积吞吐量方面的局限性。
• 开发一种可扩展、低成本的方法，实现无需直接成像亚100纳米特征的集成电路版图快速验证。
• 通过识别逻辑门类型的独特光谱特征，实现对恶意篡改的稳健检测。
• 通过聚焦于微米级标准单元结构而非纳米级晶体管和互连结构，降低空间采样和分辨率需求。

提出的方法

• 在多个波长（1–2.6 µm）和偏振状态下使用多光谱成像，探测集成电路结构的反射光谱。
• 利用标准单元布局（微米级）因金属、多晶硅和掺杂硅层差异而产生的独特光谱响应特性。
• 采用贝叶斯分类框架，将测量得到的光谱反射率作为特征，用于识别门类型，假设噪声服从独立的高斯分布模型。
• 使用固定标准差σ建模探测器噪声，并利用探测器的NEP（等效噪声功率）和响应度估算信噪比（S/N）。
• 考虑光学系统损耗（如分束器、透镜、硅衬底透射率）以估算实现足够S/N所需的光源功率水平。
• 采用贪心特征选择方法，在保持高分类准确率的前提下优化光谱测量次数。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用集成电路中标准单元类型之间的光谱响应差异，在不解析纳米级特征的情况下识别逻辑门？
• RQ2 与直接成像纳米级特征相比，多光谱成像能在多大程度上降低所需的空间分辨率和采样率？
• RQ3 仅使用5次光谱测量时，门分类的准确率如何？噪声对分类性能有何影响？
• RQ4 在实际背面成像系统中，实现高信噪比所需的光学功率实际需求是多少？
• RQ5 该方法是否能够实现在不可信制造环境中对集成电路版图进行快速、低成本的验证，以检测硬件后门？

主要发现

• 该方法仅通过五次光谱测量即可实现约90%的逻辑门类型分类准确率，显著降低了对高分辨率成像的需求。
• 基于光谱的分类方法相比直接成像纳米级特征，将所需的空间采样量降低了1至4个数量级。
• 当探测器噪声标准差σ = 0.05时，若噪声低于σ = 0.03，分类准确率超过99%，表明对中等噪声具有鲁棒性。
• 毫瓦级光源功率即可在MHz成像速率下实现100的信噪比，使该方法可使用商用InGaAs探测器实现。
• 理论分析表明，考虑硅衬底透射率和分束器损耗等实际光学系统因素后，信号功率需求仍可实现。
• 使用高斯噪声近似可可靠估计分类误差，低噪声条件下（σ < 0.03）误差率低于1%。