[论文解读] Hardware Trojan by Hot Carrier Injection

Yuriy Shiyanovskii, Francis Wolff+3 more|ArXiv.org|Jun 20, 2009

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型硬件后门，利用热载流子注入（HCI）导致晶体管渐进性、不可检测的退化，且无需额外逻辑电路。通过操纵制造工艺或电压条件（例如将Vd设为2Vg以触发DAHC），攻击者可加速HCI效应，使目标晶体管随时间推移发生故障，模拟一种时间炸弹，逃避标准测试。

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.

研究动机与目标

• 研究热载流子注入（HCI）如何在不增加逻辑电路的情况下被武器化为硬件后门。
• 分析通过制造过程中的工艺变异或运行时的电压分布变化诱导恶意HCI效应的可行性。
• 证明此类后门因退化过程渐进且初始功能正常而难以检测。
• 强调外包集成电路制造的风险，恶意操控工艺参数可能引入不可检测的硬件后门。
• 呼吁开发新型检测技术，以在器件失效前识别HCI诱导的后门。

提出的方法

• 通过设置Vd = 2Vg以最大化电场和载流子能量，利用热载流子注入（HCI）的物理机制，特别是漏极雪崩热载流子（DAHC）注入。
• 通过改变栅氧化层形成过程中的氮化物浓度、退火时间或温度等工艺层面操作，降低晶体管对HCI的抗性。
• 施加电压应力条件（如Vd = Vg用于CHE，|Vsub| >> 0用于SHE），以加速载流子注入和硅-二氧化硅界面陷阱的形成。
• 结合设计级电压调控与制造工艺畸变，实现目标晶体管的累积性、加速性退化。
• 采用多阶段应力测试协议：低温应力（-55°C）、高压运行（长达240小时）、常温恢复测试，以及250°C无偏置烘焙，以验证HCI引起的退化。
• 通过参数监测（如阈值电压漂移、跨导变化）检测与HCI效应一致的累积器件磨损。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不增加逻辑电路的情况下，在CMOS晶体管中恶意诱导热载流子注入？
• RQ2 哪些特定的工艺和电压条件能最大化HCI效应，从而实现隐蔽的硬件后门？
• RQ3 为何此类基于HCI的后门特别难以通过标准的后制造测试手段检测？
• RQ4 制造工艺变异（如氮化物层堆叠）如何影响晶体管对HCI引起退化的抗性？
• RQ5 软件技术（如提高写入频率）在多大程度上可加速HCI感染晶体管的故障？

主要发现

• DAHC机制（Vd = 2Vg）因高电场和漏极附近强烈的碰撞电离效应，产生最严重的HCI破坏。
• 电子仅需3.3 eV即可越过硅-二氧化硅势垒，因此NMOS器件比PMOS（需4.6 eV）更易受攻击。
• HCI引起的退化会导致阈值电压（Vt）升高和跨导（gm）降低，造成开关速度变慢，最终导致器件失效。
• 在-55°C下进行160–240小时的应力测试，随后进行常温恢复测试和250°C无偏置烘焙，可通过参数恢复或退化现象检测HCI引起的故障。
• 处于高应力区域的晶体管（如6T SRAM单元中的通路晶体管）是主要目标，因其频繁开关且缺乏ECC保护。
• 该后门表现出时间炸弹行为：初始功能正常，但仅在长时间运行后才显现故障，从而逃避标准测试。