Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4448
Main Title: Charge sensing
Subtitle: A key to improving sensitivity in integrated circuit analysis
Translated Title: Verbesserte Empfindlichkeit bei der Analyse integrierter Schaltungen durch Ladungsmessung
Author(s): Helfmeier, Clemens
Advisor(s): Boit, Christian
Referee(s): Boit, Christian
Neitzert, Heinrich
Thewes, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit analysiert besonders niedrige Stromstärken mithilfe von Ladungen. Die Konstruktion einer Ladungsmessschaltung mit Femtocoulomb Empfindlichkeit wird für die Verwendung in einem CMOS (complementary metal oxide semiconductor) integrierten Schaltkreis (IC) gezeigt. Durch die Messbarkeit kleiner Ladungsmengen ergeben sich weitreichende Möglichkeiten in der Fehleranalyse und Sicherheit von ICs, die an Beispielen analysiert werden: 1. Charakterisierung von Dielektrika, 2. Aufladung durch Ionenbestrahlung (FIB) von isolierenden Proben, sowie 3. Schutz und Angriff von Sicherheitsschaltkreisen auf Grundlage von Ladungen. Die Charakterisierung von Dielektrika wird konventionell mit Stress-, Leck- und Durchbruch-Verhaltensanalyse durch den Strom ausgedrückt und nur auf Basis von Modellbildungen auf Ladungsmengen übertragen. In dieser Arbeit wird das Verhalten von zwei verschiedenen Dielektrika bei Strömen im Bereich von 1 aA analysiert. Die Ladungsmessung ist gegenüber konventionellen Methoden etwa 1000x empfindlicher. Die Aufladung der isolierenden IC-Oberfläche durch die Bestrahlung mit einem FIB wird ermittelt. Ein Sekundärelektronenemissionskoeffizient von 2.2 Elektronen pro initial eintreffendem Ion, sowie von 0.8 Elektronen pro eintreffendem Ion für kontinuierliche Bestrahlung wird bestimmt. Nebeneffekte des FIB Systems im Bereich von 0.01 fA bis 10 fA äquivalentem Strom können beobachtet werden. Durch die Aufladungserscheinungen im FIB kann ein FIB Angriff durch die Zielschaltung erkannt werden. Eine entsprechende Schaltung wird konstruiert und Aspekte für die Implementierung in einen Sicherheitsschaltkreis werden diskutiert. Anhand dieser Ergebnisse können neue Erkenntnisse über die Implementierung und Verwundbarkeit von Sicherheitsschaltkreisen gewonnen werden. Die Zusammenhänge verschiedener Analyseaspekte von PUF (physically unclonable function) Schaltungen werden dargestellt. Ladungsmessung und -analyse erlauben bisher unerreichte Empfindlichkeit in unterschiedlichen Bereichen der integrierten Schaltungen.
This work analyzes very low currents by investigation of charge amounts. A system capable of measuring charges down to femto-coulomb range (1E-15 C) is discussed and implemented in an IC technology (charge sensor). The system is fully compliant with CMOS technology, and can be applied to a wide range of IC related investigations. With the capability of measuring charge, impacts on many different areas of electronic circuits are identified, including FA and security ICs. These exemplary situations are part of the impact assessment: 1. dielectric leakage behavior characterization of different kinds of dielectrics, 2. analysis of charging from FIB irradiation during CE tasks in FA, and 3. security evaluation of IC hardware by consideration of charge. Dielectric characterization is conventionally done by stress-, breakdown- or leakage current analysis and possibly integration of the current for modeling based on charge dependent behavior. This work extends the dielectric characterization to charge measurements. Measurement results from two different dielectrics are presented. The characterization of the leakage behavior is possible with noise currents below 1 aA. This sensitivity is not achievable with conventional current measurement systems. FIB irradiation of insulating IC surfaces is analyzed using the charge sensor. Measurements show that 2.2 SEs are emitted per incident ion from the neutral insulating IC surface. Charging of the IC surface reduces this to 0.8 SEs during continuous irradiation. The electronically blanked ion beam causes the observation of a parameter-dependent charging current of 0.01 fA to 10 fA. A FIB detector circuit is implemented by using the charge sensor to identify the surface charging of the ion beam. The aspects for integrating the charge sensor into a security IC are discussed. Commonalities and differences to current suggestions for PUF circuits are identified. An implementation of fuse bits is analyzed with the FIB showing severe vulnerabilities of this security feature due to charge investigations. Different aspects of IC hardware, wiretapping of on-die signals and semi-invasive analysis techniques are discussed. Results show that consideration of charge is an important factor when new PUF implementations are suggested. Charge analysis allows for matched and to date unrivaled sensitivity in IC analysis.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-65996
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4745
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4448
Exam Date: 16-Apr-2015
Issue Date: 7-May-2015
Date Available: 7-May-2015
DDC Class: 537 Elektrizität, Elektronik
Subject(s): Fehleranalyse
Integrierte Schaltung
Ladungsmessung
Sicherheit
Charge measurement
Failure analysis
Integrated circuit
Security
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