A structure for protection of security-sensitive ICs against attacks through silicon backside

dc.contributor.advisorBoit, Christian
dc.contributor.advisorSzyszka, Bernd
dc.contributor.authorAmini, Elham
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeBoit, Christian
dc.contributor.refereeSzyszka, Bernd
dc.contributor.refereeSeifert, Jean-Pierre
dc.contributor.refereeAsadi, Navid
dc.date.accepted2020-06-26
dc.date.accessioned2021-07-02T17:25:35Z
dc.date.available2021-07-02T17:25:35Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractSecurity sensitive integrated circuits (ICs) are subject to hardware attacks on secure data. In the past few years, optical signal tracking methods accessing the IC through the chip backside have become the most successful attack risks. Modern ICs are equipped with various hardware and software countermeasures to protect secret data and intellectual property (IP) against known attacks. These countermeasures include protective mesh layers, different sensors, shields, and physically unclonable functions (PUFs). However, the chip backside is still exposed, and proper and affordable protection of the IC backside against focused ion beam (FIB) and optical attacks is missing. Accordingly, the available countermeasures can be circumvented by attacks through the silicon back surface. This work presents, realizes and develops an efficient and cost-effective structure to protect ICs against hardware attacks through the chip backside. Since there is no cost-efficient way to connect the backside to the frontside electrically, a proper protection structure for the backside must be based on optics. The structure presented here is an optically active thin film that is deposited on the IC back surface. The integrity of the layer is checked by an optical signal generated and detected inside the chip using IC elements. The protective layer is opaque to the infrared light and provides an angle-dependent reflectivity. Thus, the laser light cannot penetrate the IC, and the photon emission of the IC structure cannot leave the IC through the silicon backside. In the developed protection method, the IC structures are administrated as a light-emitting device and light-sensing devices. A p-n junction is forward-biased to emit an optical signal in all directions toward the IC backside. The light reflected from the IC backside is absorbed by several reverse-biased p-n junctions (drain or source of the transistors), creating a photocurrent. The layer changes the intensity of the reflected light depending on the angle of incidence of the light. Therefore, the photocurrent of the detectors is a signature of the layer. If the layer is damaged or removed, the signal of the detectors will change. Then, the device will not be able to confirm the integrity of the layer. Subsequently, the secret data stored on the device will be destroyed. In order to achieve an efficient protection structure, parameters including optical signals, the light emitter, detectors, the protection layer, and the position of the structures are optimized together. In this work, two optically active thin films that are qualified for this purpose are designed and produced by the sputtering method. The layers are characterized by ellipsometry and the Automated reflectance/transmittance analyzer (ARTA). The concept of the protection mechanism is evaluated by electrical measurements on the IC structure. The photocurrent of the detectors is analyzed when the layer is deposited on the IC backside and when the layer is removed. The results have confirmed the effect of the layer on the photocurrent of the detectors. Hence, any harms to the layer can be detected by electrical measurements on the IC circuit. This work also discusses the advantages and drawbacks of the protection mechanism, and possibilities for its application are examined. These investigations lead to the conclusion that the protection structure, after optimization of the critical parameters, becomes a comprehensive countermeasure. It would be a very low-cost process and capable of preventing both physical and optical attacks through the chip back surface. This protection structure can be used for all types of security-sensitive ICs with different size, technology, and bulk thickness.en
dc.description.abstractSicherheitsempfindliche integrierte Schaltkreise (ICs) sind Hardware-Angriffen auf sichere Daten ausgesetzt. In den letzten Jahren sind optische Signalverfolgungsmethoden, die über die Chip-Rückseite auf den IC zugreifen, zu den größten Angriffsrisiken geworden. Moderne ICs sind mit verschiedenen Hardware- und Software-Gegenmaßnahmen ausgestattet, um geheime Daten und geistiges Eigentum (IP) vor bekannten Angriffen zu schützen. Diese Gegenmaßnahmen umfassen Gitterschichten, verschiedene Sensoren, Abschirmungen und Physically Unclonable Functions (PUFs). Die Chiprückseite ist jedoch immer noch ungeschützt, und es fehlt ein angemessener und erschwinglicher Schutz der Chip-Rückseite gegen fokussierte Ionenstrahlen (FIB) und optische Angriffe. Dementsprechend können alle verfügbaren Gegenmaßnahmen mittels Angriffen durch die Silizium-Rückseite umgangen werden. In dieser Arbeit wird eine effiziente und kostengünstige Struktur zum Schutz von ICs gegen Hardware-Angriffe durch die Chip-Rückseite vorgestellt, realisiert und entwickelt. Da es keine kostengünstige Möglichkeit gibt, die Rückseite mit der Vorderseite elektrisch zu verbinden, muss eine geeignete Schutzstruktur für die Rückseite auf optischen Prinzipien basieren. Die hier vorgestellte Struktur ist ein optisch aktiver Dünnfilm, der auf der IC-Rückseite aufgebracht wird. Die Intaktheit der Schicht wird durch ein optisches Signal überprüft, das im Inneren des Chips mit Hilfe von IC-Elementen erzeugt und detektiert wird. Die Schutzschicht ist für Infrarotlicht undurchlässig und bietet eine winkelabhängige Reflektivität. Dadurch kann das Laserlicht nicht in den IC eindringen, und die Photonenemission der Schaltung kann den Chip nicht durch die Silizium-Rückseite verlassen. Für die entwickelte Schutzmaßnahme werden IC-Strukturen als lichtemittierende und lichtempfindliche Bauelemente verwendet. Ein p-n-Übergang wird in Vorwärtsrichtung vorgespannt, um ein optisches Signal in alle Richtungen zur IC-Rückseite zu emittieren. Das von der IC-Rückseite reflektierte Licht wird von mehreren in Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergängen (Drain oder Source der Transistoren) absorbiert, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird. Die Schicht verändert die Intensität des reflektierten Lichts in Abhängigkeit vom Einfallwinkel des Lichts. Daher stellt der Fotostrom der Detektoren eine Signatur der aufgebrachten Schicht dar. Wenn die Schicht beschädigt oder entfernt wird, ändert sich das Signal der Detektoren und folglich kann die Integrität der Schicht nicht mehr bestätigt werden. In der Folge kann der IC alle auf dem Gerät gespeicherten vertraulichen Daten löschen. Um eine effiziente Schutzstruktur zu erreichen, werden Parameter wie optische Signale, Lichtsender, Detektoren, die Schutzschicht, und die Position der Strukturen gemeinsam optimiert. In dieser Arbeit werden zwei dafür geeignete optisch aktive Dünnschichten entworfen und im Sputterverfahren hergestellt. Die Schichten werden durch Ellipsometrie und Automatisierter Reflexions-/Durchlässigkeitsanalysator (ARTA) charakterisiert. Das Konzept des Schutzmechanismus wird durch elektrische Messungen an der IC-Struktur bewertet. Der Fotostrom der Detektoren wird sowohl analysiert, wenn die Schicht auf der IC-Rückseite aufgebracht ist, als auch wenn die Schicht entfernt wurde. Die Ergebnisse bestätigen den Einfluss der Schicht auf den Photostrom der Detektoren. Folglich können eventuelle Schädigungen der Schicht durch elektrische Messungen an der IC-Schaltung nachgewiesen werden. In dieser Arbeit werden auch die Vor- und Nachteile des Schutzmechanismus diskutiert und Möglichkeiten der Anwendung untersucht. Diese Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass die Schutzstruktur, nach der Optimierung der kritischen Parameter, zu einer vollständigen Gegenmaßnahme wird. Es wäre ein sehr kostengünstiges Verfahren und in der Lage, sowohl physische als auch optische Angriffe durch die Chip- Rückseite zu verhindern. Diese Schutzstruktur kann für alle Arten von sicherheitsempfindlichen ICs mit unterschiedlicher Größe, Technologie und Dicke verwendet werden.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13251
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12043
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeitende
dc.subject.otherhardware securityen
dc.subject.otherbackside protectionen
dc.subject.otherbountermeasureen
dc.subject.otherthin-filmen
dc.subject.otherHardwaresicherheitde
dc.subject.otherRückseitenschutzde
dc.subject.otherGegenmaßnahmede
dc.subject.otherDünnschichtde
dc.titleA structure for protection of security-sensitive ICs against attacks through silicon backsideen
dc.title.translatedEine Struktur zum Schutz sicherheitssensitiver ICs gegen Angriffen durch die Siliziumrückseitede
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 4 Elektrotechnik und Informatik::Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien::FG Halbleiterbauelementede
tub.affiliation.facultyFak. 4 Elektrotechnik und Informatikde
tub.affiliation.groupFG Halbleiterbauelementede
tub.affiliation.instituteInst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologiende
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